artikel

Duurzaam warmte opwekken en processen aanpassen: Zo wordt de fabriek fossielvrij

Algemeen

Duurzaam warmte opwekken en processen aanpassen: Zo wordt de fabriek fossielvrij

De voedingsmiddelenfabriek van de toekomst draait zonder fossiele brandstoffen. De behoefte aan warmte voor de processen in deze tak van industrie is groot, dus de weg naar fossielvrij is niet zonder hindernissen. Maar het doel is haalbaar, stellen Izak Boot en Roel Tolle van Bilfinger Tebodin. Dit artikel is verschenen in VMT 11 van 28 september.

De energieconsultants gaan – met 2050 voor ogen – in op de mogelijkheden ten aanzien van duurzame warmteopwekking en aanpassingen in de processen. 

De voedingsmiddelenindustrie is met een totaal energieverbruik van gemiddeld 85 petajoule per jaar goed voor circa 6% van het totale energieverbruik binnen de industriesector (bron: CBS, 2016). Bijna twee derde van deze energie wordt als warmte ingezet voor de diverse processen (gemiddeld 55 petajoule per jaar). Het overgrote deel hiervan wordt momenteel opgewekt met fossiele brandstoffen zoals aardgas.

Op termijn streeft Nederland echter naar een grootschalige decarbonisatie van de energievoorziening, zoals blijkt uit het Klimaatakkoord en de voorgenomen ambitieuze CO2-emissiereductie: in 2030 49% minder uitstoot dan in 1990 en in 2050 zelfs 80 tot 95% procent minder (bron: PBL). Het kabinet heeft inmiddels onder meer besloten de winning van Gronings gas uiterlijk in 2030 te stoppen. 

Fossielvrij in vier stappen

Voor het verminderen van het fossiele energieverbruik hanteert Tebodin Bilfinger een strategische benadering in vier stappen (figuur 1). De eerste twee stappen – het reduceren van de warmtevraag en het benutten van restwarmte – zijn te zetten door het productieproces aan te passen. Bijvoorbeeld door isolatie toe te passen, de procestemperaturen te verlagen of de restwarmte van droogprocessen te benutten. Hier valt op korte en middellange termijn nog veel winst te behalen.

Ten aanzien van de resterende warmtevraag wordt op dit moment voornamelijk stap 4 toegepast: de optimale benutting van fossiele brandstoffen. Het verbruik wordt bijvoorbeeld teruggedrongen door het toepassen van gasgestookte warmtekrachtkoppeling of HR-ketels. In de toekomst gaat deze vorm van energieopwekking een steeds kleinere rol spelen. Maar een werkelijke transitie is mogelijk met een grootschalige uitvoering van stap 3: duurzame opwekking.

Dit kan bijvoorbeeld door middel van geothermie of door elektrificatie waarbij indirect warmte wordt geproduceerd met duurzaam opgewekte elektriciteit als energiedrager (power to heat). 

Energievraag

Wat doet de voedingsmiddelenindustrie zoal met de energie die ze verbruikt? Wat zijn de kenmerkende processen voor deze sector en wat is hun aandeel in het energieverbruik? Droogprocessen blijken het grootste aandeel te hebben: gemiddeld circa 26 petajoule per jaar. Daarbij gaat het om een hele reeks processen zoals pasteuriseren, steriliseren, indampen, koken/ blancheren, reinigen en bakken.

Het temperatuurniveau van deze processen is veelal lager dan 200°C. Warmteopwekking en distributie vinden momenteel veelal plaats met een lagedrukstoomsysteem (maximaal 15-20 bar) of een heetwatersysteem (beide gasgestookt). De overige energie gaat op aan koeling en hygiëne. Wat betreft koeling is dit grotendeels gerelateerd aan opslag van grondstoffen (droog en nat) en producten (vaak gekoeld of diepgevroren).

Voor koeling van producten op een temperatuur van 8 tot 12°C worden gekoelde watersystemen ingezet, voor nog lagere temperaturen (1-4°C) zijn dat ijswatersystemen. Vaak is sprake van een relatief hoog waterverbruik voor processen zoals wassen, spoelen en schoonmaak (CIP).

Om de hygiëne te garanderen, wordt onder meer zonering van productieruimten toe-gepast (low care, medium care, high care), veelal in combinatie met het HVACsysteem voor het onderhouden van de luchtkwaliteit en drukhiërarchie om contaminatie te voorkomen. Het gevolg hiervan is dat de voedingsmiddelensector een relatief hoog waterverbruik kent voor processen zoals wassen, spoelen en schoonmaak.  

Trends op korte termijn

Zoals in iedere industrietak vindt ook in de voedingsmiddelenindustrie al een reductie van het energieverbruik plaats. Zo zijn door directe of indirecte restwarmtebenutting significante besparingen mogelijk, bijvoorbeeld door het terugwinnen van warmte uit proceslucht (bakovens) of koelcircuits van persluchtcompressoren. Daarnaast zijn thermische processen soms te vervangen door elektrische. Bijvoorbeeld bij vacuümindampers met thermal vapour recompression (TVR): die worden vervangen door alternatieven met mechanical vapour recompression (MVR). Ten slotte is er een verschuiving van warmtekrachtkoppelingen naar eigen duurzame elektriciteitsproductie, bijvoorbeeld met windmolens. Door de lage energieprijs is warmtekracht nog slechts in uitzonderlijke gevallen rendabel. Er zijn echter ook ontwikkelingen die juist tot een hogere energievraag leiden. Ten eerste leidt toenemende diversificatie van producten bijvoorbeeld tot kortere productieruns, meer wisselingen, lagere bezetting en verminderde efficiëntie, vaker reinigen en een stijging van het specifieke energiegebruik. Ten tweede is er de toenemende vraag naar nutraceuticals, waardoor de voedingsmiddelenindustrie zich ontwikkelt richting de farmacie. Dit uit zich onder meer in het aanscherpen van hygiëne- en voedselveiligheidseisen, wat vaak leidt tot een hoger energiegebruik van bijvoorbeeld luchtbehandelingsinstallaties en pasteurisatiesystemen. Ten slotte is er de toenemende automatiseringsgraad en digitalisering van de productieomgeving om processen efficiënter aan te sturen met behoud van productkwaliteit. Wat hierbij opvalt is dat een hoger energieverbruik vaak samenhangt met strengere voedselnormen. 

 

Aanpassingen productieproces

De al genoemde trends komen voornamelijk tot uiting in het energieverbruik in de komende 10 tot 15 jaar. Kijkend naar de horizon, oftewel 2050, dan wordt de voorspelbaarheid onzekerder. Het is wel mogelijk een aantal veelbelovende technische mogelijkheden te schetsen, maar er zijn ook beperkende factoren zoals de benodigde hoge investering en onduidelijkheden in de haalbaarheid van de businesscase. Als het financiële aspect geen probleem is, zijn zowel in de productieomgeving als de energievoorziening diverse aanpassingen door te voeren.

In het productieproces gaat het om vier energiebesparende wijzigingen:
• Elektrificatie. Met als positief gevolg een afname (mogelijk tot nul) van de vraag naar stoom. Een aantal processen wordt al sinds jaar en dag elektrisch gevoed, zoals transportbanden en vul- en snijmachines. Andere processen zijn nu nog afhankelijk van stoom, maar omdat stoom niet langer vanzelfsprekend beschikbaar is, is de kans groot dat ook deze processen zullen elektrificeren. Daarbij gaat het om verwarmings- of scheidingstoepassingen als steriliseren, bakken en indampen.
• Verminderen en benutten van afval- en reststromen. Productverlies is tot een minimum te beperken door ontwikkelingen in procesequipment en veilig (onbemand) transport. Reststromen die toch ontstaan zijn te upgraden zodat ze waardevol worden. Dit kan gepaard gaan met groei in thermische energie. Denk bijvoorbeeld aan het indampen van wei om daaruit nutriënten terug te winnen. Wanneer verwaarding niet mogelijk is, is recycling (binnen of buiten de eigen sector) of omzetting in energie een mogelijkheid.
• Automatisering, digitalisatie en intelligente besturing. Slimme algoritmes in de procesregeling, gekoppeld aan een grote hoeveelheid procesinformatie (big data), zorgen ervoor dat de inzet van utilities en de energievraag vanuit het proces optimaal op elkaar worden afgestemd. Denk hierbij aan het automatisch slim corrigeren van opwarmcurves en het effi ciënt gebruikmaken van bestaande buff ercapaciteit.
• Sluiten van de waterkringloop in het productieproces. Water, inclusief de laagwaardige thermische verontreiniging daarvan, kan herhaaldelijk worden hergebruikt.

 

Warmte- en energievoorziening

Ten aanzien van de warmte- en energievoorziening zijn er drie belangrijke mogelijkheden die leiden tot een structurele vermindering van fossiele brandstoff en:
• In de bestaande warmtevraag kan vrijwel volledig worden voorzien door warmte uit duurzame of hernieuwbare bron. Denk hierbij aan directe of indirecte benutting (middels een warmtepomp) van restwarmte of geothermie. Het warmwatercircuit vervangt daarbij het traditionele stoomsysteem, eventueel in de vorm van pressurized hot water voor toepassingen bij een temperatuur van 100 tot 130°C.
• Voor processen waarbij stoom onmisbaar is (bijvoorbeeld vanwege een hoog specifi ek vermogen, zoals bij sterilisatie) kan veelal worden volstaan met stoom onder relatief lage druk (2-3 bar). Dit betekent dat toekomstige (kleine) stoomnetten grotere leidingdiameters hebben. Doordat warmtepompen temperaturen kunnen produceren tot 160°C, is productie van stoom zonder fossiele bron mogelijk. Wanneer toch een hogere druk/temperatuur noodzakelijk is, kan een biogasgestookte stoomgenerator/boiler de stroom produceren, eventueel in combinatie met een stoomaccumulator. Juist de voedingsmiddelenindustrie leent zich voor biogas omdat toeleveranciers van grondstoff en (agrariërs) vaak niet ver weg zijn. Opwerking tot groengas kan daarbij zelfs achterwege blijven indien een dedicated lagedruk biogasnet/hub aanwezig is. 
• Een logisch scenario is tevens gebruik te maken van de kenmerkende grote dakoppervlakken van veel voedingsmiddelenfabrieken: ruimte genoeg voor PV-panelen! De bereidheid zelf energie op te wekken blijkt al uit de kenmerkende windturbines op eigen terrein van veel producenten en hun toeleveranciers. 

Energievraag

Samenvattend: enerzijds neemt de energievraag in de voedingsmiddelenindustrie toe door aanscherping van hygiëne-eisen en een toenemende vraag naar nutraceuticals. Anderzijds verandert de energievoorziening als gevolg van de energietransitie.

Duurzame warmteopwekking gaat een steeds grotere rol spelen, zowel in het productieproces als in de energievoorziening. Concreet betekent dit een toename van de elektriciteitsvraag, een vergaande uitfasering van stoominstallaties, terugwinning en upgrading van reststromen, een toename van eigen, duurzame warmteopwekking (zoals geothermie en biomassa) en duurzame elektriciteitsopwekking (zoals zonnepanelen en wind).

Vanuit technologisch oogpunt lijkt op termijn – richting 2050 – het terugdringen en zelfs uitbannen van fossiele energie in de voedingsmiddelenindustrie een reële mogelijkheid.

 

Reageer op dit artikel