Inleiding: energiegebruik in bedrijven en gebouwen Energie Energie is een eigenschap van de materie die kan worden omgezet in arbeid, warmte of straling. De eenheid van energie is de Joule. De fundamentele eigenschap van energie is dat ze enkel kan omgezet worden van de ene vorm in de andere, maar niet kan worden gecreëerd (de eerste hoofdwet van de thermodynamica). Een tweede eigenschap is dat niet alle vormen van energie gelijkwaardig zijn of m.a.w. dat niet alle vormen van energie onbeperkt omgezet kunnen worden in een andere willekeurige vorm (de tweede hoofdwet van de thermodynamica). Wrijf maar eens in je handen en je zet arbeid om in warmte. Om het omgekeerde te doen heb je typisch een motor nodig. Warmte op lage temperatuur (dit is dicht tegen omgevingstemperatuur) kan beschouwd worden als energie van lage kwaliteit. Een derde eigenschap is dat bij nagenoeg iedere omzetting van energie warmte wordt vrijgesteld die niet nuttig kan worden gebruikt. De belangrijkste bron van energie voor onze planeet is de straling afkomstig van de zon. Deze energie wordt opgevangen door water (waardoor het verdampt), de atmosfeer, de aardkorst, alsook door planten. In de prehistorie werden grote hoeveelheden planten in de aardkorst ingesloten. Hieruit ontstond steenkool, aardolie en aardgas. Deze brandstoffen zijn de fossiele brandstoffen. Verder werd bij het ontstaan van de aarde energie opgeslagen in atomen, die we door splijting kunnen vrijstellen. Deze stoffen, zoals uranium, worden nucleaire brandstoffen genoemd. Zowel voor de fossiele brandstoffen als de nucleaire brandstoffen zijn de voorraden dus eindig. Hernieuwbare energiebronnen daarentegen zijn bronnen die direct of indirect gebruik maken van de zonne-energie. Straling van de zon is een duidelijk voorbeeld. Windenergie ontstaat door drukverschillen in de lucht, die veroorzaakt worden door temperatuurverschillen. Deze zijn dan weer ontstaan door het verschil in opwarming op verschillende plaatsen. Waterkracht energie is beschikbaar door de cyclus van het water. Door de zonnewarmte verdampt water en bij afkoeling regent het. Dit water opvangen op een hoogte en dit hoogteverschil gebruiken, levert de mens waterkracht. In de energiesector worden primaire brandstoffen omgezet in bruikbare energiedragers, bijvoorbeeld elektriciteit, gas, stookolie, benzine en diesel. De voornaamste primaire brandstoffen zijn kernbrandstoffen, steenkool, aardgas en aardolie. De productie en de distributie van deze energiedragers situeren zich aan de aanbodzijde van de energiesector. Voor Vlaanderen zijn er twee elektriciteitsbedrijven, één aardgasbedrijf en vijf petroleum raffinaderijen actief [1]. 1
Energie door de eeuwen heen Energie is de drijvende kracht van onze industrie. Sinds de start van de eerste industriële revolutie is de mens meer en meer beroep gaan doen op allerlei energiebronnen. In de oudheid werd arbeid vooral verricht door middel van spierkracht, zij het van dierlijke dan wel menselijke aard. Zo was de latere Romeinse economie gebaseerd op slavenarbeid die instond voor de productie van voedsel, goederen en zelf diensten zoals onderwijs. In de middeleeuwen werd dierlijke arbeid belangrijker en werd slavenarbeid vervangen door lijfeigenschap. Men herontdekte een aantal machines, die werken op wat we heden ten dage alternatieve energievormen noemen, zoals wind- en watermolens. In deze periode werd warmte in belangrijke mate geproduceerd door de verbranding van hout, zowel voor het bereiden van eten als voor residentiële verwarming. Voor industriële processen (metaalverwerking, scheepsbouw, ) maakte men gebruik van houtskool, bruinkool en in beperkte mate van steenkool. Ontginning hiervan was enkel mogelijk aan de oppervlakte. Na de renaissance neemt het gebruik van machines toe. Pas in de 18 e eeuw ontstaan de eerste machines die gebaseerd zijn op de thermodynamische principes die we nu kennen. Newcommen en J. Watt verbeterden in essentie het rendement en de bestuurbaarheid ervan. De belangrijkste brandstof wordt nu steenkool die men massaal gaat ontginnen in dieper gelegen mijnen. Om dit mogelijk te maken waren eveneens nieuwe soorten machines nodig. Stoom neemt als energietransportmedium en werkingfluïdum een belangrijke plaats in. Ook voor residentiële verwarming doen kolen hun intrede en in deze sector zullen ze tot na de tweede Wereld Oorlog een belangrijke bron van verwarming blijven. De tweede industriële revolutie wordt gedreven door de ontdekking en ontginning van aardolie. In de beginperiode van de aardolieboringen beschouwd men de gasbel bovenaan het olieveld trouwens als een last en fakkelt men dit af. Steenkool verliest zijn marktaandeel en aardolie neemt over, zowel in de industrie als voor verwarming. De oliecrisis in de jaren 1970 betekent een nieuw keerpunt. Men ontdekt dat afhankelijkheid van 1 energiebron strategisch foutief is. Kernenergie wint aan belang door het volwassen worden van nucleaire fisie. (Figuur I.1 toont de evolutie vanaf 1971 tot 2001 voor België en Figuur I.2 voor de wereld, bron IEA (International Energy Agency)). Aardgas krijgt eveneens meer en meer aandacht. Voor residentiële verwarming zijn stookolie en aardgas tot op heden concurrentieel. 2
Figuur I.1. Primaire energievoorzieningen voor België Sinds de jaren '90 groeit het bewustzijn dat het gebruik van fossiele en nucleaire brandstoffen een grote milieu-impact heeft. Verbranding van fossiele brandstoffen geeft aanleiding tot de uitstoot van zwavel en NO x. Vooral kolen en aardolie bevatten een relatief groot zwavelgehalte. Wetgeving, zowel nationaal als internationaal, leggen strenge normen op naar zwavelgehalte. Zo is in stookolie het niveau gedaald tot 5 ppm. Intussen is ook aangetoond dat de uitstoot van CO 2 bijdraagt tot klimaatsverandering of het zogenaamde broeikaseffect. In 1997 werd in de Verenigde naties overeengekomen in het Kyoto-protocol om broeikasgasuitstoot terug te brengen naar een niveau dat 5% lager ligt dan 1990 en dit tegen 2012. Dit gaf aanleiding tot internationale maatregelen om uitstoot te reduceren. Een piste die men volgt is het verbeteren van thermodynamische rendementen van omzettingsprocessen. Een tweede piste is de productie van elektriciteit uit zogenaamde alternatieve, in feite duurzame energiebronnen als wind, waterkracht, geothermie, 3
Figuur I.2. Primaire energievoorzieningen voor de wereld In figuur I.3 wordt de evolutie getoond van de brandstoffen gebruikt voor elektriciteitsomzetting in België. We zien dat aardgas aan belang wint en dat duurzame energie de laatste jaren langzaam opkomt. Stookolie is marginaal geworden, terwijl steenkool afneemt. Figuur I.4 toont de evolutie op wereldschaal. Opvallend is dat energiegebruik steeds toeneemt en dat vooral aardolie stagneert. De meeste aardolie wordt dan ook ingezet voor transport en niet voor elektriciteitsproductie. 4
Figuur I.3. Elektriciteitsvoorzieningen in België 5
Figuur I.4. Elektriciteitsvoorzieningen in de wereld Een derde piste is de reductie van het energiegebruik door rationalisering : Rationeel EnergieGebruik (REG). Men streeft er naar het gebruik te doen dalen door het vermijden van nutteloos gebruik, vermindering van de noden door beperking van verliezen en het verhogen van omzettingsrendementen. Deze REG-maatregelen gaan bijna steeds gepaard met de reductie van brandstofverbruik en dus met daling van de kosten hiermee verbonden. Vaak zijn wel (eenmalige) investeringen nodig in nieuwe apparatuur. Economische overwegingen, zoals stijgende brandstofprijzen, zijn vaak de initiator van initiatieven, naast overheidsondersteuning. Energiegebruik is tevens verspreid over verschillende sectoren. Naast de industrie, neemt in België de transportsector een groot deel voor zijn rekening (Figuur I.5). Een derde van het verbruik gaat echter naar verwarming en koeling van gebouwen. 6
Figuur I.5. Energieverbruik per sector In deze cursus zullen we ingaan op een aantal aspecten die te maken hebben met het gebruik van warmte binnen een industriële omgeving. Ten eerste zullen de apparaten die instaan voor de overdracht van warmte worden behandeld : de warmtewisselaar in al zijn varianten. Naast constructie en ontwerp wordt ook aandacht besteed aan operationele aspecten, zoals inzetbaarheid, onderhoud en energieprestatie. Een tweede deel van de cursus behandelt bijzondere aspecten van warmteoverdracht. In nagenoeg ieder proces waarin belangrijke energieoverdrachten worden gerealiseerd maakt men gebruik van faseveranderingen. Warmteoverdracht in twee-fasige systemen van gas en vloeistof is van een bijzondere complexiteit en verdient dus verder aandacht. In deel drie zullen aspecten van klimatechniek (HVAC: Heating, Ventilation and Air- Conditioning) worden behandeld, met aandacht voor passieve technieken. Referenties 1. Mira-T 2001, Milieu- en natuurrapport Vlaanderen, ISBN 90-441-1195-7 2. www.iea.org 7