En EPFL-forskare har utvecklat en matematisk modell för att optimera värmeöverföringen i fabriker och dramatiskt minska vatten- och energiförbrukningen. Modellen kunde, i teorin, minska vattenanvändningen med 60 procent vid ett kanadensiskt pappersbruk och tillåta anläggningen att producera så mycket som sex gånger mer kraft.

Att tillverka konsumtionsvaror kräver stora mängder vatten, värme och el. De företag som tillverkar dessa produkter producerar stora mängder CO ₂ utsläpp och har en enorm påverkan på miljön. Vid klimatkonferensen COP21 i Paris, världsledare lyfte fram den framträdande roll som tillverkare kan spela för att bekämpa klimatförändringarna genom att minska utsläppen av växthusgaser.

Maziar Kermani, en forskare vid EPFL:s Industrial Process and Energy Systems Engineering (IPESE) grupp, som leds av professor François Maréchal, har kommit på en banbrytande matematisk modell som kan minska mängden vatten och energi som används i industriella processer. Han har utvecklat ett sätt att återvinna förlorad värme och energi och att använda bioraffinaderiteknik – som kombinerar turbiner och organiska vätskor – för att öka kraftproduktionen.

Kermani använde sin modell på ett kanadensiskt pappersbruk. Han fann att, i teorin, det kunde minska mängden vatten som företaget använde från 820 kg till 230-300 kg per sekund (en minskning med cirka 60 procent). Det skulle också kunna göra det möjligt för bruket att producera mer än sex gånger så mycket el (från 3 MW till cirka 20 MW). Hans resultat har publicerats i Energies.

Kontinuerlig återvinning av vatten och värme

Kermani testade sin teori om kraftmassaframställning – den i särklass mest populära papperstillverkningsmetoden i branschen.

Träflis vätes, kokt (i kokare), tvättade, torkat och blekt för att göra massa. Allt detta producerar stora mängder ånga som, förutom att användas i själva processen, genererar mer än tillräckligt med el för att driva anläggningen. Överskottsenergin kan sedan säljas.

Enligt Kermani, dock, det nuvarande systemet är långt ifrån optimalt. "Enorma mängder vatten och energi går till spillo eftersom stegen i processen inte hänger ihop, " förklarar han. "Till exempel, bruket använder kallt vatten för att tvätta och kyla massan. Men det vattnet, som innehåller värdefull värme, kasseras sedan. Likaså, högtrycksånga produceras genom förbränning av svartlut vid extremt höga temperaturer – runt 1, 200°C. Ångan driver turbiner för att generera elektricitet och ger en värmekälla för andra processer, men det är för energikrävande att producera."

Organiska vätskor

I sin tidning, Kermani beskriver flera sätt på vilka det uppvärmda vattnet kan återanvändas. Han rekommenderar också att man introducerar organiska Rankine-cykler, som förlitar sig på en speciell egenskap hos organiska vätskor:det faktum att de omvandlas till högtrycksånga vid relativt låga temperaturer (250°C). "Att använda organiska vätskor skulle göra det möjligt för kvarnen att producera den ånga den behöver med hjälp av återvunnet hett vatten vid låga till medelhöga temperaturer, " han förklarar.

Det kanadensiska företaget har uttryckt intresse för Kermanis modell. "Jämfört med strikt matematiska och begränsade metoder, det föreslagna tillvägagångssättet ger insiktsfull information för den preliminära utformningen av industriella värmeväxlarnätverk involverade i massa och papper, " säger den kanadensiska industriprocessexperten Marzouk Benali, som har i uppdrag att optimera det företagets processer. "Dess flexibilitet erbjuder möjligheter att bedöma de direkta effekterna av att integrera framväxande bioraffinaderiteknologier i befintliga stora anläggningar."

Kermanis modell har potentiella tillämpningar även inom andra sektorer och industrier.