Als voorbeeld nemen we een batchproces waarbij het product eerst wordt verwarmd en later gekoeld. Laten we aannemen dat we het product verwarmen tot 160 °C en terugkoelen tot 35 °C. Een batchproces is een productiewijze waarbij telkens een afgeronde partij of hoeveelheid van een product wordt gefabriceerd, een batch genaamd. In de procesindustrie worden batchprocessen toegepast om allerlei producten te maken die niet of moeilijk met een continu proces te maken zijn.

Optimaal terugwinnen van warmte
Er ontstaan in de basis een aantal problemen bij elektrificatie van bovenstaand proces. Hoewel groene stroom een duurzame oplossing lijkt, blijkt dit de weg naar warmteterugwinning in de weg te staan omdat het piekvermogen voor het elektrisch voorverwarmen in een batchproces aanzienlijk is en de capaciteit van de elektriciteitsaansluiting niet altijd beschikbaar is. Daarnaast zal warmteterugwinning niet eenvoudig zijn, omdat er voor het opwarmen elektriciteit in plaats van een warm medium gebruikt wordt. 

Een kenmerk van een batchproces is dat het verwarmen van de nieuwe grondstoffen die de reactor in gaan, niet gelijktijdig kan plaatsvinden met het afkoelen van het product dat gereed is en de reactor verlaat. In de praktijk betekent dit vaak dat je zou moeten wachten met het opwarmen van de grondstoffen voor de nieuwe batch, totdat het product klaar is of andersom: wachten met koelen van het product dat gereed is totdat de grondstoffen voor een nieuwe batch nodig zijn. Dit is veelal ongewenst vanwege de bezettingsgraad van het equipment of vanwege de producteigenschappen.

Directe uitwisseling van warmte is dus niet mogelijk. In ons voorbeeld gaan we de warmte daarom bufferen, zodat de beschikbare warmte niet verloren gaat. Het temperatuurverschil is de drijvende kracht voor opwarmen of koelen. Het is dus zaak om de warme buffer zo warm mogelijk te houden en de koude juist zo koud mogelijk. Vaak wordt een batch verwarmd of gekoeld door de inhoud rond te pompen over een warmtewisselaar. Dit heeft een negatief effect op de terugwinning van energie, want er ontstaat door het rondpompen een gemiddelde temperatuur. In het begin van het opwarmproces is de retourtemperatuur laag en aan het einde hoog. Een betere manier is om de stroom van grondstoffen naar de reactor op te warmen en de productstroom uit de reactor te koelen. Hierdoor blijft de warme buffer op een zo hoog mogelijke en de koude buffer op een zo laag mogelijke temperatuur. 

Laag temperatuurverlies door verwarmen en koelen productstromen
Om de daling van de temperatuur in de warme buffer (ontstaan door het opwarmen van het product) te compenseren, moet de warme buffer worden verwarmd. Dit zal elektrisch gebeuren met een verwarmingselement, maar omdat we de grondstoffen naar de reactor verwarmen in plaats van het product rond te pompen, is het temperatuurverlies relatief laag: een gunstig effect. Door het toepassen van een warmtebuffer is er bovendien meer tijd om te verwarmen. Hierdoor is het piekvermogen aanzienlijk lager dan bij directe verwarming. Door het koelen van het product, wordt de koude buffer warmer. Deze dient dus gekoeld te worden. Door de uitgaande productstroom te koelen in plaats van het product rond te pompen, is het noodzakelijke koelvermogen ook maximaal beperkt. Het omschreven concept zorgt er dus voor dat het elektrisch piekvermogen beperkt wordt en dat er maximaal aan warmteterugwinning wordt gedaan.

Industrial Internet of Things
Maar is dat wel genoeg? Want elektra is per kilowattuur wel duurder dan aardgas. Er zal dus gezocht moeten worden naar verdere besparingen, zoals efficiëntie van het proces zelf. De transitie naar het gebruik van groene energie is namelijk niet het enige aandachtspunt van onze tijd. Besparing is ook te behalen door het verkorten van de cyclustijden, het voorkomen van storingen en bijvoorbeeld het verhogen van de betrouwbaarheid door goed en nauwkeurig assetmanagement. Voor al deze aspecten is het verzamelen en verwerken van de juiste data essentieel.

In de fabriek van de toekomst zullen werknemers verantwoordelijk zijn voor het toezicht houden op en samenwerken met geavanceerde automatiseringssystemen om efficiënt en veilig te produceren. Deze systemen zullen worden verbonden en gemonitord via het Industrial Internet of Things en in staat zijn om gegevens in real time te verzamelen en te analyseren. Hiermee wordt de bedrijfsvoering geoptimaliseerd en zijn potentiële problemen beter te identificeren. Dit geeft grote mogelijkheden tot vergaande optimalisatie van de procesvoering.  

Ook zijn veel bestaande fabrieken ontworpen in de jaren ‘60 en ’70 van de vorige eeuw. Het is zeer de vraag of we de producten nu weer op die manier zouden willen produceren. Het kan veel opleveren om vanuit de technologie het proces opnieuw te ontwerpen. De randvoorwaarden van nu zijn tenslotte compleet anders, net als de mogelijkheden.

Fabriek van de toekomst
Dit artikel gaat in op de elektrificatie van één batchproces. Maar zijn er in de fabriek mogelijkheden om processen te combineren? En wat brengt de nieuwe werkelijkheid van de energietransitie als het gaat om het zelf opslaan van elektrische energie uit zonnepanelen, windmolens of andere duurzame bronnen? We denken graag met onze opdrachtgevers mee over de fabriek van de toekomst. 

We zijn in een mooie tijd beland. Ontwerpen met de mogelijkheden en randvoorwaarden van nu betekent dat er conceptueel andere ontwerpen nodig zijn dan voorheen. De industrie mag opnieuw uitgevonden worden. Lang leve de energietransitie!