Waarom warmte en koeling geen tegengestelden hoeven te zijn: synergie in de voedingssector

Thermische energievraag in de voedingsindustrie

Volgens schattingen gaat ongeveer 30% van het mondiale eindgebruik van energie naar de voedingssector, gebaseerd op een volledige levenscyclusanalyse die landbouw, distributie, voedselverwerking en consumptie omvat. Een studie van Hadziahmetovic et al. [1] schat dat binnen de voedselverwerkingssector 59% van de energie naar proceswarmte  gaat, 16% naar koeling, gevolgd door  mechanische arbeid (12%), binnenklimatisatie en verlichting (8%) en overige toepassingen (5%). 

Bij veel voedselproducenten gebeurt koeling momenteel via een klassieke dampcompressiecyclus, die aangedreven wordt door elektriciteit en waarbij de restwarmte via condensors wordt afgevoerd naar de buitenomgeving. Een schematische weergave van deze cyclus is te zien in Figuur 2. 

Deze cyclus is in wezen het principe van een warmtepomp. Daarbij wordt warmte onttrokken aan een koude omgeving (koelruimte of product) en wordt die met behulp van elektrische arbeid omgezet naar warmte die via de condensors afgegeven wordt, vaak aan de buitenlucht. In Figuur 2 wordt dus schematisch weergegeven hoe warmte onttrokken wordt uit een lage-temperatuurbron een afgegeven wordt aan de hoog-temperatuur warmteafvoer. 

De benodigde proceswarmte wordt meestal geleverd door een aardgasgestookt systeem, zoals een stoomketel of directe verwarmer, afhankelijk van de toepassing. 

Via de huidige gangbare opstelling gaat de afgevoerde warmte in koelcycli vaak verloren als restwarmte, terwijl die in principe nog nuttig ingezet kan worden. Idealiter zouden we deze restwarmte kunnen gebruiken om proceswarmte of extra koeling te leveren. Door synergie tussen energievragen te creëren—zoals het koppelen van koelvraag aan warmtevraag of restwarmte—kan het totale energieverbruik worden verlaagd. Dit komt doordat geïntegreerde systemen efficiënter gebruik maken van aanwezige energiestromen dan gescheiden systemen, waardoor minder primaire energie nodig is.

De voedingssector is zeer geschikt om deze synergetische systemen te gebruiken, om twee redenen: enerzijds zijn er bij veel producten uit de voedingsindustrie een simultane warmte- en koelvraag vereist, anderzijds zijn de verwarmingstemperaturen relatief laag wat efficiënte opwaardering van restwarmte mogelijk maakt.

Overzicht geïntegreerde energietechnologieën

In deze literatuurstudie, uitgevoerd door de Universiteit Gent, worden drie technologieën onderzocht: de cascade dampcompressiecyclus, de absorptiekoelmachine en de omgekeerde Braytoncyclus.

De cascade-dampcompressie is een thermodynamische cyclus die twee (of meer) dampcompressiecycli in serie gebruikt om een grote temperatuurlift te krijgen tussen de ruimte waaruit warmte onttrokken wordt (lees gekoeld wordt) en waar het afgegeven wordt aan de proceszijde op hoge temperatuur. Het opschalen van de warmte van de koelruimte tot bruikbare proceswarmte vereist uiteraard extra arbeid, maar er is nog steeds een energetische winst voor het combineren van deze twee processen. In de cascade dampcompressiekoelmachine worden in de verschillende trappen andere koelmiddelen gebruikt die optimaal gekozen om prestatie te maximaliseren en ontwerpkost te minimaliseren.

Een andere synergetische technologie is de absorptiekoelmachine. Deze koelcyclus wordt aangedreven door (rest)warmte in plaats van elektriciteit. De werking berust op het oplossen van een koelmiddel in een absorbent, waarna dit mengsel met minimale mechanische arbeid op druk wordt gebracht door een pomp. Later worden beide terug gescheiden via verdamping. Op deze manier wordt de compressor in Figuur 2 vervangen door een chemisch equivalent. Zo kan restwarmte gevaloriseerd worden, al gaat dit gepaard met een lage energetische efficiëntie.

Een laatste technologie is de omgekeerde Braytoncyclus, een koelproces dat gebruik maakt van lucht of een inert gas (zoals stikstof) als werkmedium. In tegenstelling tot klassieke koelcycli met koudemiddelen zoals ammoniak of CO₂, wordt het gas hier samengedrukt, gekoeld en vervolgens geëxpandeerd, waardoor het afkoelt. Er zijn dus geen faseveranderingen zoals verdampen en condenseren. Dit maakt het mogelijk om zeer lage temperaturen te bereiken, ideaal voor toepassingen zoals cryogeen vriezen van voedingsproducten. Door de hoge drukniveaus en het lage energetische rendement is deze technologie minder courant in de voedingssector, maar ze wordt wel toegepast in niches waar extreem snelle en diepe koeling vereist is [3].

Samenvattend bieden de besproken technologieën elk hun eigen mogelijkheden om koeling te voorzien aan de hand van een geoptimaliseerd energiesysteem. Afhankelijk van de specifieke toepassing, capaciteit, temperatuur en gewenste flexibiliteit kan één technologie meer geschikt zijn dan een andere. Een overzicht van de belangrijkste criteria en eigenschappen wordt weergegeven in Tabel 1.

Hoewel synergetische technologieën een groot technisch potentieel bieden, blijven ze in de praktijk nog onderbenut in de voedingsindustrie. Dit is deels te wijten aan de huidige energiemarkt, waarin elektriciteit doorgaans duurder is dan aardgas en er geen piekprijzen voor aardgas worden gehanteerd. Daardoor is het economisch minder aantrekkelijk om restwarmte te valoriseren. Bovendien leidt onbekendheid met deze technologieën ertoe dat traditionele oplossingen behouden blijven. Tot slot vormen de vaak hoge investeringskosten en de nood aan aangepaste systeemintegratie bijkomende drempels voor een brede implementatie, ondanks de energetische en ecologische voordelen op lange termijn.

Onderzoek door UGent binnen Rethink Energy 4 Food

Net om deze onbekendheid weg te werken en de praktische haalbaarheid en prestaties beter in kaart te brengen, voert Universiteit Gent momenteel onderzoek uit in het Rethink Energy 4 Food project. Hiervoor wordt de koel- en warmtevraag van verschillende bedrijven verzameld in de voedingsindustrie, om zo het verschil in energieverbruik en CO₂-uitstoot te vergelijken tussen de huidige situatie en een hypothetisch scenario met geïntegreerde technieken. Daarbij wordt ook een inschatting gemaakt van de bijhorende investerings- en operationele kosten, evenals van de terugverdientijd. 

Indien jouw bedrijf interesse heeft om bij te dragen aan dit onderzoek, neem dan contact op met:

• Jari Raeymackers          jari.raeymackers@ugent.be
• Kenny Couvreur             kenny.couvreur@ugent.be  
• Steven Lecompte          steven.lecompte@ugent.be 

Bibliography