Adsorptiekoelmachines in de scheepsbouw: technologie en toepassingen

Een moderne scheepsdieselmotor levert enorme vermogens, maar heeft ook een fundamentele beperking: meer dan de helft van de gebruikte brandstofenergie gaat verloren als restwarmte. Adsorptiekoelmachines bieden hiervoor een interessante oplossing in de scheepsbouw.

In plaats van extra elektriciteit op te wekken met dieselgeneratoren om conventionele mechanische koelinstallaties aan te drijven, maken adsorptiekoelmachines gebruik van de restwarmte die reeds beschikbaar is vanuit de voortstuwingsinstallatie van het schip. Die warmte wordt omgezet in bruikbare koeling aan boord.

Dat wordt steeds relevanter in het kader van de IMO-eisen rond CO₂-reductie en energie-efficiëntie, zoals de EEDI (Energy Efficiency Design Index) en de CII (Carbon Intensity Indicator).

De belangrijkste punten in één oogopslag

• Adsorptiekoelmachines gebruiken bestaande thermische restenergie, bijvoorbeeld warm motorkoelwater van ongeveer 80 °C, en verminderen zo de behoefte aan elektrisch aangedreven compressoren.
• Gedestilleerd water wordt gebruikt als koudemiddel en heeft een Global Warming Potential (GWP) van nul.
• Omdat het systeem vrijwel geen bewegende onderdelen bevat, is het onderhoudsarm en goed bestand tegen trillingen en zware omstandigheden op zee.
• Door het gebruik van vaste sorptiematerialen kan de werking niet worden verstoord door vloeistofverplaatsingen, zelfs niet wanneer het schip sterk rolt of stampt.
• Corrosiebestendige en duurzame leidingsystemen uit PP-RCT vergemakkelijken de installatie en helpen warmte- en koudeverliezen in het distributienet te beperken.

Wat is een adsorptiekoelmachine?

Een adsorptiekoelmachine is een thermisch aangedreven koelmachine. In tegenstelling tot een conventionele compressiekoelmachine maakt het systeem geen gebruik van een mechanische compressor. De werking is gebaseerd op het fysische proces van adsorptie. Bij adsorptie hecht een gas zich aan het poreuze oppervlak van een vaste stof. Deze vaste stof, het zogenaamde sorbens, bevindt zich vast opgesteld in kamers, de adsorbers.

Ook wanneer een schip in zware zee vaart, blijft het sorptiemateriaal dus op zijn plaats. Dat maakt adsorptietechnologie bijzonder robuust voor maritieme toepassingen.

Sorptiematerialen: zeoliet en silicagel

Als adsorbens worden materialen gebruikt met een zeer groot intern oppervlak. De meest gebruikte zijn silicagel en zeoliet. Eén gram zeoliet kan door zijn microscopisch kleine poriën en kanalen een intern oppervlak hebben van meer dan 1.000 m². Het materiaal werkt als het ware als een moleculaire spons.

Het koudemiddel: gedestilleerd water

Gedestilleerd water wordt gebruikt als koudemiddel. Water is op schepen eenvoudig beschikbaar, niet-toxisch en niet-brandbaar en heeft bovendien een hoge specifieke verdampingsenthalpie. Wanneer water verdampt, neemt het een grote hoeveelheid warmte-energie op uit zijn omgeving. Omdat het water in de adsorptiekoelmachine onder een sterk vacuüm staat, verdampt het niet bij 100 °C, maar reeds bij ongeveer 3 tot 5 °C.

De installatie maakt vervolgens gebruik van de eigenschap van droge silicagel of zeoliet om deze koude waterdamp in zijn poriën op te nemen.

Hoe werkt een adsorptiekoelmachine?

Het principe van een adsorptiekoelmachine kan relatief eenvoudig worden uitgelegd. Adsorptie verloopt van nature discontinu: het sorptiemateriaal neemt eerst vocht op en moet vervolgens opnieuw worden gedroogd of geregenereerd. Daarom bestaan installaties voor continue koeling doorgaans uit twee modules die afwisselend en in tegenfase werken. Hydraulisch bestaat een adsorptiekoelmachine uit drie afzonderlijke circuits:

• het aandrijfcircuit, met warm koelwater van de scheepsmotor;
• het koudwatercircuit, dat de nuttige koeling naar de verbruikers brengt;
• en het terugkoelcircuit, doorgaans gekoppeld aan zeewaterkoeling.

In tegenstelling tot traditionele compressiekoelmachines is geen mechanische compressor nodig. Het warme water dat reeds door de scheepsmotoren wordt geproduceerd, neemt als het ware de functie van een thermische compressor over. De koudeproductie vindt plaats in hermetisch afgesloten kamers onder een sterk vacuüm en verloopt in vier fasen.

1. Desorptie of regeneratie

In de eerste kamer is het sorptiemateriaal, bijvoorbeeld silicagel, verzadigd met water. Via het hoge-temperatuurcircuit van de hoofd- of hulpmotor wordt warm koelwater van ongeveer 70 tot 90 °C toegevoerd aan de adsorber. Deze warmte zorgt ervoor dat het gebonden water uit de microscopische poriën van het sorptiemateriaal verdampt. Het adsorbens wordt zo opnieuw gedroogd en geregenereerd. Dit proces noemen we desorptie.

2. Condensatie

De vrijgekomen warme waterdamp stroomt vervolgens naar de condensor. Daar wordt de damp via warmtewisselaars gekoeld door het terugkoelcircuit van het schip, doorgaans met zeewater. De waterdamp geeft zijn warmte af, condenseert en wordt opnieuw vloeibaar water.

3. Verdamping en koudeproductie

Het vloeibare koudemiddel wordt daarna via een klep naar de verdamper geleid. Hier speelt het vacuüm een cruciale rol. Bij een systeemdruk van bijvoorbeeld slechts 10 mbar verdampt water niet bij 100 °C, maar reeds bij ongeveer 5 tot 7 °C. Om over te gaan van vloeibare naar gasvormige toestand heeft het water verdampingsenergie nodig. Die energie wordt onttrokken aan het koudwatercircuit.

Op dat moment wordt de bruikbare koeling geproduceerd.

4. Adsorptie

De koude waterdamp uit de verdamper stroomt vervolgens naar de tweede kamer. Daar bevindt zich droog silicagel of zeoliet, dat de waterdamp opnieuw bindt. Dit proces heet adsorptie. Bij deze binding komt warmte vrij. Die warmte moet continu worden afgevoerd via het terugkoelcircuit met zeewater. Zodra het sorptiemateriaal verzadigd is, schakelt het systeem om en begint de cyclus opnieuw.

Adsorptiekoeling in de scheepsbouw: warmtebronnen en toepassingen

Een modern schip vormt een grotendeels autonome technische omgeving. Het kan weken of maanden onafhankelijk van infrastructuur aan land moeten functioneren. Een efficiënt thermisch beheer is daarom een essentieel onderdeel van de scheepsbouw. Maar waarvoor is koeling aan boord precies nodig? In grote lijnen kunnen vier belangrijke toepassingsgebieden worden onderscheiden:

• airconditioning en HVAC voor passagiers en bemanning
• koeling van gevoelige elektronica, serverruimtes en IT-installaties
• koeling van voedselvoorraden tijdens langere reizen
• en vrachtkoeling voor het behouden van gesloten koelketens, bijvoorbeeld bij reefers

Al deze toepassingen hebben één belangrijk kenmerk gemeen. Wanneer ze uitsluitend worden gekoeld met elektrisch aangedreven compressiekoelmachines, verbruiken ze grote hoeveelheden elektriciteit. Die elektriciteit moet aan boord worden geproduceerd door dieselgeneratoren of hulpmotoren. Dat verhoogt zowel het brandstofverbruik als de emissies.

Adsorptiekoelmachines bieden hier een alternatief door continu koud water van ongeveer 5 tot 7 °C te produceren op basis van beschikbare restwarmte. Hierdoor kunnen ze bijzonder interessant zijn als ondersteuning voor grote energieverbruikers zoals cabinekoeling en de koeling van technische en serverruimtes.

Rendement van een adsorptiekoelmachine in de praktijk

Wie vertrouwd is met conventionele koeltechniek kan aanvankelijk verrast zijn door het rendement van een adsorptiekoelmachine. De COP (Coefficient of Performance) ligt doorgaans slechts tussen ongeveer 0,5 en 0,7. Dat betekent dat uit 100 kW thermische aandrijfenergie ongeveer 50 tot 70 kW koelvermogen wordt geproduceerd. Op papier lijkt dit relatief laag.

Aan boord van een schip ligt de economische en ecologische beoordeling echter anders. De gebruikte thermische energie bestaat immers uit restwarmte die anders via het koelsysteem in zee zou worden afgevoerd. Voor de eigen werking van de adsorptiekoelmachine is slechts een beperkte hoeveelheid elektriciteit nodig voor onder andere circulatiepompen, vacuümpompen en sensoren.

De beschikbare restwarmte wordt zo omgezet in een nuttige energiestroom.

Voordelen en beperkingen van adsorptiekoeling in maritieme toepassingen

Thermisch aangedreven koeling kan verschillende belangrijke uitdagingen van de moderne scheepvaart tegelijk aanpakken.

Lager elektriciteitsverbruik

Conventionele compressiekoelmachines behoren tot de grootste elektrische verbruikers aan boord. Door bestaande restwarmte als energiebron te gebruiken, kan een adsorptiekoelmachine de elektrische energiebehoefte voor de koudeproductie aanzienlijk verminderen. Volgens het bronartikel kan de elektrische koelenergie met tot 80% worden gereduceerd.

Hierdoor worden de hulpmotoren minder belast, daalt het brandstofverbruik en kan ook de CII-prestatie van het schip verbeteren.

Robuust bij zware zee

Een schip is voortdurend onderhevig aan rollen, stampen en trillingen. Bij absorptiekoelmachines, die met vloeibare absorptiemiddelen werken, kunnen dergelijke bewegingen invloed hebben op de werking van het systeem. Een adsorptiekoelmachine maakt daarentegen gebruik van een vaste stof zoals silicagel of zeoliet. Omdat dit materiaal zich niet verplaatst, blijft het proces ook bij zware zeegang stabiel.

Beperkte mechanische slijtage

Doordat geen grote mechanische compressor aanwezig is, bevat het systeem relatief weinig bewegende onderdelen. De belangrijkste bewegende componenten zijn de circulatie- en vacuümpompen. Dat beperkt de mechanische slijtage en kan onderhoudsintervallen verlengen en de behoefte aan reserveonderdelen verminderen.

Milieuvriendelijk koudemiddel

Veel traditionele koudemiddelen worden steeds strenger gereguleerd vanwege hun bijdrage aan het broeikaseffect. Adsorptiekoelmachines gebruiken daarentegen zuiver water als koudemiddel. Water is:

• niet-toxisch
• niet-brandbaar
• en heeft een GWP van nul

Bij een eventuele lekkage ontstaat hierdoor geen vergelijkbaar milieuprobleem als bij fluorhoudende koudemiddelen.

Ondersteuning bij strengere efficiëntie-eisen

Sinds 2023 gelden binnen de internationale scheepvaart strengere IMO-eisen rond energie-efficiëntie en koolstofintensiteit, waaronder EEXI en CII. Omdat elektriciteit aan boord meestal wordt opgewekt met verbrandingsmotoren, betekent elke bespaarde kilowattuur elektriciteit ook een vermindering van het brandstofverbruik en de bijbehorende emissies.

Technologieën die bestaande restwarmte benutten, kunnen daarom een interessante bijdrage leveren aan de verduurzaming van de scheepvaart. Binnen het Europese onderzoeksproject ENGIMMONIA wordt dergelijke technologie bijvoorbeeld getest op de passagiersveerboot F/B Elyros, waar motoraangedreven restwarmte wordt gebruikt voor de koeling van grote passagierszones.

Adsorptiekoeling in de scheepsbouw: eisen aan het leidingsysteem

Hoe geavanceerd een adsorptiekoelmachine in de machinekamer ook is, het systeem verliest een belangrijk deel van zijn technisch en economisch voordeel wanneer de geproduceerde koude onderweg naar de verbruikers verloren gaat. Op grote vrachtschepen en cruiseschepen moet het in de verdamper gekoelde water van ongeveer 5 tot 7 °C soms over honderden meters worden verdeeld. Denk bijvoorbeeld aan:

• luchtbehandelingsinstallaties in de cabines
• koelruimtes voor voedselvoorraden
• serverruimtes
• technische lokalen
• en andere HVAC-verbruikers

De kwaliteit van het volledige systeem wordt daardoor in belangrijke mate bepaald door de distributie van het koelmedium. De omstandigheden op zee zijn bijzonder veeleisend voor leidingsystemen.

Corrosieve omgeving

Zoute zeelucht kan ernstige uitwendige corrosie veroorzaken bij conventionele metalen leidingen. Ook aan de binnenzijde van het systeem kan onder bepaalde omstandigheden corrosie of putcorrosie ontstaan.

Condensvorming

De hoge luchtvochtigheid op zee vormt een belangrijke uitdaging voor koudwaterleidingen. Metaal heeft een hoge thermische geleidbaarheid. Wanneer de isolatie van een metalen leiding onvolledig wordt uitgevoerd of beschadigd raakt, kan snel condensatie ontstaan op het koude leidingoppervlak.

Gewicht

Metalen leidingen hebben een relatief hoog gewicht. In de scheepsbouw telt echter iedere kilogram. Een hoger gewicht betekent een grotere diepgang en kan leiden tot een hogere hydrodynamische weerstand en uiteindelijk een hoger brandstofverbruik.

aquatherm blue voor koelnetwerken aan boord

Voor een veilig, duurzaam en efficiënt thermisch circuit kunnen kunststof leidingsystemen zoals aquatherm blue een interessante oplossing bieden. Het systeem uit hoogwaardig PP-RCT is specifiek ontwikkeld voor toepassingen in koel- en klimaattechniek en biedt ook in maritieme installaties verschillende voordelen.

Corrosiebestendig

Polypropyleen reageert niet zoals metalen materialen op zoute zeelucht of zeewater. Hierdoor is het materiaal niet gevoelig voor klassieke corrosie of putcorrosie. Ook afzettingen worden sterk beperkt.

Lage thermische geleidbaarheid

Kunststof heeft een aanzienlijk lagere thermische geleidbaarheid dan metaal. Hierdoor wordt de koude in het medium minder snel naar de omgeving afgegeven. Dat helpt niet alleen energieverliezen te beperken, maar kan ook het risico op condensvorming aan het leidingoppervlak verminderen.

Gewichtsbesparing

aquatherm blue is aanzienlijk lichter dan leidingsystemen uit staal of koper. Bij grote leidingnetwerken aan boord kan dit resulteren in een aanzienlijke totale gewichtsbesparing. Dat vereenvoudigt ook de handling, prefabricatie en montage op de scheepswerf.

Materiaalhomogene verbinding

Leiding en fitting worden door thermische lastechnieken met elkaar verbonden en versmelten tot één materiaalhomogene verbinding. In tegenstelling tot bepaalde mechanische verbindingen bevat zo’n verbinding geen bijkomende dichtingsmiddelen die onder invloed van permanente trillingen kunnen worden belast. Dat maakt de verbinding bijzonder geschikt voor de dynamische omstandigheden aan boord.

Conclusie: restwarmte aan boord efficiënt benutten met adsorptiekoeling

De scheepvaartsector staat voor de uitdaging om zowel het brandstofverbruik als de emissies sterk te verminderen. Adsorptiekoelmachines kunnen hier een waardevolle bijdrage leveren. Ze zetten reeds beschikbare restwarmte van de scheepsmotor rechtstreeks om in nuttige koeling en verminderen daarmee de behoefte aan elektrisch aangedreven compressiekoelmachines.

Volgens het bronartikel kan hierdoor tot 80% van het elektrische energieverbruik voor koeling worden bespaard. Doordat water als koudemiddel en vaste sorptiematerialen zoals silicagel of zeoliet worden gebruikt, is de technologie bovendien goed aangepast aan de dynamische en veeleisende omstandigheden op zee. De efficiëntie van de koudeproductie alleen volstaat echter niet.

Ook de volledige distributie-infrastructuur moet correct worden ontworpen. Zoute zeelucht, hoge luchtvochtigheid en permanente trillingen stellen hoge eisen aan klassieke metalen leidingsystemen. Een toekomstgerichte oplossing voor koelwaterdistributie aan boord vraagt daarom ook om een materiaalkeuze die rekening houdt met corrosie, thermische verliezen, condensvorming en gewicht.

Lichte, corrosiebestendige leidingsystemen uit PP-RCT, zoals aquatherm blue, kunnen daarbij bijdragen aan een betrouwbaar en efficiënt koelcircuit.

Een adsorptiekoelsysteem integreren in een nieuwbouw- of retrofitproject?

aquatherm Belux-France ondersteunt scheepswerven, ontwerpers en rederijen bij de engineering en uitvoering van duurzame leidingsystemen voor maritieme koeltoepassingen. Van de eerste leidingtracés en materiaalkeuze tot dimensionering en prefabricatie: onze technische ondersteuning helpt om het volledige koelwaternet efficiënt en betrouwbaar te integreren.

Neem contact op met aquatherm Belux-France voor technisch advies rond koelcircuits, PP-RCT-leidingsystemen en maritieme toepassingen.