Moleculaire biologie als inspiratiebron voor CO2-reductie

Innovatie vinden we in ons land overal, maar industriële innovatie die er komt door de nabootsing van een moleculair proces, dat is op zijn minst opmerkelijk te noemen. Een verhaal van baanbrekend onderzoek, dat leidde tot een veelbelovende start-up.

Trefwoorden: #CO2, #Q-Pinch, #restwarmte

Lees verder

In the field

( Foto: Borealis )

Download het artikel in PDF

ENGINEERINGNET.BE - Dat de productie van warmte voor industriële doeleinden -hoewel een echte energieslokop- veel minder aan bod komt in het publieke debat dan elektriciteit, is wellicht te wijten aan de onbekendheid. Dat is zonde, want een efficiëntere warmteproductie haalt niet alleen de CO2-uitstoot naar beneden, maar reduceert ook de inzet van niet-hernieuwbare energiebronnen.

Wie in de procesindustrie wil besparen op warmteproductie kan op meerdere paarden wedden. Bedrijven kunnen hun processen en de bijhorende componenten energiezuiniger maken: efficiëntere onderdelen, beter afgestemde subprocessen, isolerende ingrepen … Dat is de weg die al langer bewandeld wordt. Een tweede, recentere benadering is de circulaire benadering. De reeds aanwezige warmte uit de processen wordt in deze optiek hergebruikt. Een bekend voorbeeld vormen de warmtenetten, waarbij de restwarmte van pakweg verbrandingsovens ingezet wordt om gebouwen in de buurt te verwarmen.

In de industrie werpen zich echter andere uitdagingen op. Er is nood aan restwarmte op een hoge temperatuur, zodat het terug inzetbaar wordt in hetzelfde proces of elders in de plant. Maar hoe krijg je proceswater van pakweg 75 °C terug naar exact 150 °C, zonder het elektriciteitsverbruik door het dak te laten gaan? Warmtepompen vormen een interessante denkpiste, maar zijn bij echt grote vermogens niet inzetbaar, omdat de elektriciteitsvraag dan te groot wordt. Er moet dus een andere manier zijn om met een laag elektriciteitsverbruik toch een aanzienlijke temperatuurwinst van de proceswarmte te creëren.

ATP-ADP cyclus is de basis 
Ook Wouter Ducheyne worstelde met dit vraagstuk. Als procesingenieur bij een chemiereus werd hij wel vaker geconfronteerd met de problematiek van restwarmte. Zijn antwoord neemt ons mee naar de basisbouwstenen van elk levend wezen: de ATP-ADP cyclus. Elk levend organisme heeft energie nodig. Cellen vinden die terug in bepaalde organische moleculen. De ATP-ADP cyclus bekleedt een centrale plaats in dat proces. Adenosine Triphospate (ATP) is in die cyclus een molecule die de afbraak van macromoleculaire stoffen uit voedsel regelt en zo de energievragende processen in een lichaam van energie voorziet.

De chemische reactie die voor het vrijmaken van warmte zorgt. (Foto QPinch)

Een ATP molecule bestaat uit drie grote groepen: een nitrogene base (adenine), ribose (suiker) en drie fosfaatgroepen. Deze laatste worden door verbindingen samengehouden en het zijn deze verbindingen die energie bevatten. Om de energie vrij te maken, volstaat het om één van de fosfaatverbindingen vrij te maken. Op die manier wordt ADP (adenosine diphosphate) gecreëerd. Het resultaat is vrijgekomen energie die kan ingezet worden om het organisme in leven te houden. Dit moleculair proces vormde de inspiratiebron om een industriële toepassing te ontwikkelen waarbij een omgekeerde chemische reactie ingezet wordt om warmte van een lagere naar een hogere temperatuur te brengen.  

Van molecule naar industriële plant 
Het onderzoek naar deze thermische oplossing leidde tot de oprichting van de start-up Q-Pinch. De academische ondersteuning kwam er via de Universiteit Gent in de persoon van professor Christian Stevens, diensthoofd van de SynBioC afdeling. Samen ontwikkelde men in 2016 een eerste prototype van de warmtetransformator (100 kWth) die bij afvalverwerker Indaver werd uitgetest. Door gebruik te maken van het fysisch-chemisch proces met vloeibare fosfaten en water bewees dit systeem dat warmte van 100 °C kan omgevormd worden tot 150 °C. Het systeem bestaat uit meerdere stappen.

Eerst wordt het water verwijderd door verdamping met afvalwarmte, voordat het wordt gecondenseerd met omgevingslucht of koelwater. Door het water te verwijderen en het fosforzuur en de zouten daarvan met de afvalwarmte te verhitten, vindt een endotherme polymerisatie plaats. Het gepolymeriseerde product wordt naar een volgende stap gebracht waarin het water wordt toegevoegd, na te zijn gecondenseerd door koeling met een koellichaam en verdampt met de afvalwarmtebron.

De condensatie van water in het vloeibare zuur en de zouten daarvan genereert een sterke exothermische hydrolysereactie, die leidt tot een sterke temperatuurstijging van het gedepolymeriseerde werkmedium. De temperatuurstijging is relatief groot, omdat de condensatie-energie van water in combinatie met de hydrolysatie-energie, afhankelijk van de polymerisatiegraad, relatief hoog is (naar schatting 2.500 kJ/kg) in vergelijking met de warmtecapaciteit van het vloeibare fosforzuurmedium (ongeveer 1,6 kJ/kgK).

Na de hydrolyse en de condensatie worden de zuren, de zouten en het watermengsel teruggevoerd naar de eerste endotherme reactor en is de cirkel rond. Anders dan bij het gebruik van conventionele warmtepompen, worden bij dit gesloten proces de bedrijfskosten en het elektriciteitsverbruik minimaal gehouden.

Toegepast op grote schaal levert dit een enorm voordeel op ten opzichte op van warmtepompen. (Foto QPinch)

Exotherme en endotherme reactie 
Erik Verdeyen (Q-Pinch): “Bij Indaver was het vooral de bedoeling om te leren en te analyseren, maar momenteel werken we verder aan nieuwe en grotere projecten op commerciële schaal. Zo zijn we momenteel bezig met een installatie bij de low density polyethyleen (LDPE) afdeling van Borealis. Hier gaat het om een vermogen aan restwarmte dat tussen de 2 à 3 MW schommelt, afhankelijk van de aanvoerbronnen. In principe gaat het hier om een cooling loop van water van de exotherme reactie.

Warm water van 140 °C wordt er afgekoeld tot 130 °C, waarbij er stoom van 10 bar (G) geproduceerd wordt die terug naar de voorkant van de exotherme reactor gebracht wordt. Ons systeem bestaat uit een koude en warme reactor. Daartussen bevindt zich een gesloten kring van fosforzuur en water. Aan de koude kant brengen we het fosforzuur onrechtstreeks in contact met restwarmte. Dat resulteert in een reactie waarbij het water gescheiden worden van de fosforzuurmoleculen.

Aan de andere kant brengen we het water onder andere omstandigheden terug in contact met het fosforzuur en krijg je een exotherme reactie. Het interessante aan die laatste reactie is dat dit op een veel hogere temperatuur verloopt in vergelijking met de endotherme reactie aan de koude kant. Dat principe is de basis achter onze installatie.”

Overal waar er restwarmte is 
“In principe is ons systeem geschikt voor alle bedrijven die restwarmte hebben en die warmte ook intern kunnen hergebruiken. In de bedrijven waar het thermisch vermogen zich in de grootorde van honderden of duizenden MW bevinden, zijn gewone warmtepompen te energievretend. Bij onze oplossing bedraagt het benodigde elektrische vermogen slechts 3 à 4% van het aanwezige thermisch vermogen. Raffinaderijen, petrochemie, voeding/drank en papier-industrie zijn de typische sectoren waarbij onze technologie het best tot zijn recht komt.

In principe is de impact op de bestaande installatie beperkt en we werken met standaard industriële componenten. Er moet enkel een verbinding voorzien worden voor de aanvoer van de restwarmte en voor de retourleiding. Lange stilstandtijden zijn dus niet aan de orde.”