Alternatieve energievormen in Procesintensificatie

De procesindustrie moet verduurzamen. Daar is iedereen het over eens. Maar er leiden in dit geval wel meerdere wegen naar Rome. Een van de te bewandelen pistes is het toepassen van alternatieve energievormen in procesintensificatie. Prof. Tom Van Gerven praat ons bij over het potentieel dat non-contacttechnieken zoals ultrageluid, microgolven, elektrische velden, centrifugaalkrachten … in dit domein herbergen.

Nieuwe mogelijkheden creëren

Procesintensificatie is niet nieuw. De beweging ontstond in de jaren 1980 toen men begon te onderzoeken hoe we in de ruimte bepaalde chemische processen zouden kunnen opzetten. Het uitgangspunt was daarbij om alles op een zo compact mogelijke ruimte samen te brengen. Dat procesintensificatie ook de weg opent naar het verduurzamen en veiliger maken van de industrie zijn twee aspecten die sinds de jaren 2000 meer op het voorplan zijn gekomen. Prof. Tom Van Gerven van de vakgroep Procestechnologie voor Duurzame Systemen aan de KU Leuven: "Een beweging die overigens vanuit de buik van de industrie zelf gegroeid is. Omdat vergroening prioriteit werd en energie ook geld kost. De huidige processen zijn echter zowat 'uitontwikkeld'. We hebben er qua efficiëntie uitgepuurd wat mogelijk is. Procesintensificatie biedt daarentegen een nieuwe manier om naar dingen te kijken en deze processen te herdenken. Met technieken die misschien nog niet altijd die maturiteit hebben als wat we klassiek toepassen en die evenmin overal inzetbaar zullen zijn. Toch kunnen deze nieuwere technieken veel potentieel bieden om de flexibiliteit en mogelijkheden te verruimen om uiteindelijk tot het ideale proces te komen."

Vele van de non-contactmethodes hebben slechts een beperkte indringdiepte. Dat vraagt om dunnere reactoren met kleinere volumes

Vereenvoudigen voor meer efficiëntie

Procesintensificatie kijkt onder andere naar klassieke transportverschijnselen zoals de overdracht van warmte, massa of momentum. Processen die om de nodige energie vragen. "Om warmte over te brengen zal in de procesindustrie bijvoorbeeld typisch een warmtewisselaar toegepast worden die de warmte in de reactor moet verdelen. Afhankelijk van het temperatuurverschil en het debiet kan daarbij echter veel energie verloren gaan. Procesintensificatie kijkt met een andere bril naar zo'n proces en beoogt het te vereenvoudigen, zodat er minder bijproducten ontstaan, minder energie wordt gebruikt en een hogere efficiëntie wordt bereikt."

Interessant daarbij zijn de niet-conventionele energievormen die contactloos te werk gaan. Denk aan zaken zoals de toepassing van ultrageluid, licht, elektrische velden, centrifugaalkrachten … Of in het geval van warmteoverdracht: microgolven. Van Gerven: "De microgolven bewegen zich door de vloeistof, koppelen zich met bepaalde stoffen en brengen die in beweging. Uit de schuring die ontstaat, zal vervolgens warmte gegenereerd worden. Heel snel, heel gericht en dus heel efficiënt." Deze alternatieve energievormen voor procesintensificatie zijn dus interessant omdat ze de lat op het vlak van duurzaamheid weer wat hoger leggen.

Kleinere reactoren bouwen

"Procesintensificatie heeft ook als doel om chemische reactoren zo klein mogelijk te kunnen bouwen. Daar dragen non-contacttechnieken toe bij, omdat er geen structuren meer binnenin de installatie nodig zijn, zoals die warmtewisselaar uit ons eerdere voorbeeld. Maar denk bijvoorbeeld ook aan roerwerk dat achterwege kan blijven", vertelt Van Gerven. Alles staat dus buiten de reactor opgesteld om de overdracht te bewerkstelligen. Het proces zelf hoeft daarom nagenoeg niet te veranderen. "Enkel de manier waarop we met energie ingrijpen op de installatie. En dat kan met meer procescontrole omdat we het traag proces van opwarmen en afkoelen dan vervangen door microgolven waarvan je de bron met een vingerknip aan en uit kan schakelen." Dit toont meteen ook de sterkte van de tandem van miniaturisering van reactoren en deze niet-conventionele energievormen. "Vele van deze non-contactmethodes, hebben slechts een beperkte indringdiepte. Dat vraagt om dunnere reactoren met kleinere volumes. Dat maakt meteen dat ze heel aantrekkelijk worden voor continuous flow-toepassingen. Een ideaal huwelijk", vat Van Gerven samen.

Andere randvoorwaarden

Van Gerven stipt ook andere voordelen aan. "Non-contactenergievormen – het woord zegt het al – vereisen geen contactoppervlak. Dat laat meer vrijheid in de keuze voor materialen in de reactor. Als we weer het voorbeeld van de warmtewisselaar erbij halen, de reactorwand had een grote geleidbaarheid nodig om de warmte goed doorheen de reactor te verspreiden. Wanneer we de warmte creëren door middel van microgolfstralen zou dat niet meer nodig zijn. Al gelden er uiteraard andere randvoorwaarden. Daarom moet er altijd goed gekeken worden waar zo'n alternatief net voor een meerwaarde kan zorgen."

Nog verder onderzoek nodig

Het onderzoek rond de meeste van deze non-contactmethoden is vandaag nog vrij empirisch. "De fenomenen en de voordelen kunnen vastgesteld worden, maar het zal verder experimenteel onderzoek vergen om te kunnen voorspellen wat er precies zal gebeuren", geeft Van Gerven toe. Een te overwinnen drempel om op te schalen naar industrieel niveau wordt ook de – eerdergenoemde – indringdiepte van deze technieken. "Het voordeel van een opstelling buiten de reactor geldt ook meteen als een beperking, want hoe kan je er dan voor zorgen dat non-contactmethoden kunnen ingrijpen op voldoende volume. Waar liggen de grenzen van die technieken? Moeten we met meerdere opstellingen werken? Of net naar roerwerk kijken om die overdracht doorheen het volledige volume te stimuleren? Hoe deze technieken zich in een industriële omgeving zullen gedragen, moeten we duidelijk verder aftasten." Dat geldt minder voor de toepassing van centrifugaalkrachten, waarrond al veel kennis is opgebouwd door hun functioneren in centrifuges voor scheiding. "Die zullen we sneller en meer zien opduiken om de overgang van massa te bewerkstelligen, bijvoorbeeld met spinning disc-reactoren", voorspelt Van Gerven.

 

Minilichtreactoren

Aan de andere kant van het spectrum bevindt zich lichttechnologie. "Er is al bijzonder veel onderzoek gebeurd naar fotochemie, een tak van chemie die trouwens al meer dan 100 jaar bestaat. Toch gebeurt de vertaling naar industriële processen nauwelijks. Enkel voor de ontwikkeling van bijvoorbeeld bepaalde parfums waar er geen andere mogelijkheden zijn om de gewenste reactie te verkrijgen." Met technologische innovaties zoals ledlampen biedt het echter bijzonder veel potentieel om tot zeer energie-efficiënte installaties te komen. "Het is zaak om de lichtbron te brengen net naar de moleculen die geactiveerd moeten worden. Ledlampen bieden mogelijkheden om heel lokaal belichting te genereren, vooral dan in compacte reactoren omwille van de lage intensiteit van dit licht. De laatste jaren is er echt een push naar meer ontwikkelingen om tot minilichtreactoren te komen."

In kristallisatieprojecten of solventextractie zouden non-contactmethodes van onschatbare waarde kunnen zijn

Procesintensificatie als co-creatie

De non-contactmethodes hebben dus duidelijk de wind in de zeilen. Vanuit universiteiten en spin-offs gebeurt er al heel wat en zijn technologieleveranciers gegroeid. "In projecten wordt al naar TRL 5 tot 7 gemikt (Technology Readiness Level; TRL 5: technologie gevalideerd in een industriële omgeving; TRL 7: prototypedemonstratie in een industriële omgeving). Over vier jaar zullen we aan demonstratieniveau zitten en zullen een aantal welgekozen applicaties de betrouwbaarheid op industrieel niveau hebben aangetoond. Dat ze het potentieel hebben om tot nieuwe toepassingen te komen, vormt een belangrijke drive in deze evolutie. Denk bijvoorbeeld aan twee onmengbare vloeistoffen die door er ultrasoon geluid op los te laten toch gemengd zouden kunnen worden. In kristallisatieprojecten of solventextractie zou dit van onschatbare waarde kunnen zijn. Je merkt dat de procesindustrie nog heel gesegmenteerd is. In bepaalde sectoren wordt procesintensificatie al omarmd. Ook anderen zouden daaruit kunnen leren. Zeker nu het beperken van energieverbruik en de kosten die daaraan verbonden zijn hoog op de agenda van iedereen staan. Maar dat zal dan vaak een verhaal van samen ontwikkelen moeten worden, net omdat er moet nagedacht worden over hoe het drastisch anders en beter kan", besluit Van Gerven.