De rol van koeltorens in het watergebruik van de industrie

Koeltorens vormen een essentieel onderdeel van veel industriële installaties. In sectoren zoals de chemische industrie, voedselproductie, raffinage en datacenters wordt grote hoeveelheden warmte geproduceerd die continu moeten worden afgevoerd. Open recirculerende koelsystemen met koeltorens zijn wereldwijd een van de meest gebruikte oplossingen om deze warmte efficiënt te verwijderen.

Tegelijkertijd behoren deze systemen tot de grootste industriële watergebruikers. Het waterverbruik ontstaat niet doordat het water wordt “verbruikt” in het proces zelf, maar door fysische processen zoals verdamping en blowdown die inherent zijn aan het functioneren van een koeltoren.

Het thermodynamische principe van koeltorens

Koeltorens werken volgens het principe van evaporatieve koeling. Warm proceswater wordt in de toren verdeeld over een vullingpakket terwijl lucht door de toren wordt geleid. Een klein deel van het water verdampt in deze luchtstroom. De verdampingswarmte die nodig is om water van vloeistof naar damp om te zetten wordt onttrokken aan het resterende water, waardoor dit afkoelt.

De verdampingswarmte van water bedraagt ongeveer 2260 kJ per kilogram bij atmosferische druk. Daardoor kan relatief weinig verdamping een aanzienlijke hoeveelheid warmte afvoeren. Dit verklaart waarom koeltorens energetisch zeer efficiënt zijn vergeleken met droge koelsystemen.

Het nadeel van dit principe is dat verdamping direct leidt tot waterverlies.

Verdamping als dominante waterverliesstroom

In een typische industriële koeltoren bedraagt het verdampingsverlies ongeveer 1 tot 1,8 procent van de circulerende waterstroom per 10 °C temperatuurdaling. Dit betekent dat installaties met grote koelcapaciteiten dagelijks duizenden kubieke meters water kunnen verliezen.

Volgens het U.S. Department of Energy kan een koeltoren die 100 MW aan warmte afvoert ongeveer 1800 tot 2200 m³ water per dag verliezen door verdamping (U.S. DOE, Cooling Towers and Water Efficiency, 2012).

Naast verdamping treden nog twee andere waterverliezen op:

Drift: kleine druppeltjes die met de luchtstroom worden meegevoerd

Blowdown: water dat wordt gespuid om ophoping van opgeloste zouten te voorkomen

Samen bepalen deze stromen het totale waterverbruik van een koelsysteem.

Cycles of concentration en watergebruik

Tijdens verdamping blijven opgeloste zouten achter in het systeem. Hierdoor stijgt de concentratie van mineralen zoals calcium, magnesium, silica en chloride in het circulerende water.

Om te voorkomen dat deze zouten neerslaan en scaling veroorzaken, wordt een deel van het water periodiek gespuid. De verhouding tussen de concentratie opgeloste stoffen in het circulerende water en die in het suppletiewater wordt aangeduid als de cycles of concentration.

Hoe hoger deze concentratiefactor, hoe efficiënter het watergebruik van het systeem. Moderne installaties kunnen vaak werken met concentratiefactoren tussen 4 en 8, afhankelijk van de waterchemie en het risico op scaling en corrosie (Cooling Technology Institute, Cooling Tower Fundamentals, 2015).

Industriële koelwaterstromen wereldwijd

Koelwater vormt wereldwijd een van de grootste industriële waterstromen. Volgens de International Energy Agency wordt ongeveer 15 tot 20 procent van het industriële watergebruik ingezet voor koelprocessen (IEA, Water Energy Nexus, 2016).

In sommige sectoren, zoals elektriciteitscentrales en raffinaderijen, kan koelwater zelfs de grootste waterstroom binnen een installatie zijn.

Ook datacenters gebruiken aanzienlijke hoeveelheden water voor koeling. Onderzoek van de Lawrence Berkeley National Laboratory laat zien dat grote datacenters met evaporatieve koeling jaarlijks miljoenen liters water kunnen gebruiken voor warmteafvoer.

Watergebruik in Nederland

Nederland beschikt traditioneel over relatief veel water, maar de beschikbaarheid van zoet water staat steeds vaker onder druk. Langere droge perioden en een toenemende vraag naar water vanuit industrie, landbouw en drinkwaterproductie zorgen ervoor dat efficiënt watergebruik belangrijker wordt.

Volgens het Planbureau voor de Leefomgeving kan de beschikbaarheid van zoet water in Nederland tijdens droge perioden aanzienlijk afnemen, terwijl de vraag naar water juist toeneemt (PBL, Waterbeschikbaarheid in Nederland, 2021).

Voor industriële bedrijven betekent dit dat watergebruik steeds vaker onderdeel wordt van duurzaamheidsstrategieën en vergunningverlening.

Alternatieven en optimalisatie

Bedrijven proberen het watergebruik van koelsystemen op verschillende manieren te verminderen. Een belangrijke maatregel is het optimaliseren van de waterchemie zodat hogere concentratiefactoren mogelijk worden. Hierdoor hoeft minder water te worden gespuid.

Daarnaast wordt gekeken naar alternatieve waterbronnen zoals gezuiverd afvalwater of oppervlaktewater. Door deze bronnen te gebruiken kan de druk op drinkwater verminderen.

Ook nieuwe technologieën spelen een rol. Filtratie, realtime monitoring en fysische waterbehandeling kunnen bijdragen aan stabielere waterkwaliteit en efficiënter watergebruik.

Koeltorens in de toekomstige waterstrategie van industrie

Door klimaatverandering, strengere regelgeving en toenemende waterstress staat watergebruik steeds hoger op de agenda van industriële bedrijven. Koelsystemen vormen daarbij een belangrijk aandachtspunt, omdat ze vaak de grootste waterstromen binnen een installatie vertegenwoordigen.

Het optimaliseren van koeltorens biedt daarom een grote kans om zowel watergebruik als milieubelasting te verminderen. In veel industriële waterstrategieën worden koelsystemen dan ook gezien als een belangrijk startpunt voor efficiënter en circulair waterbeheer.

Bronnen

U.S. Department of Energy. Cooling Towers and Water Efficiency. 2012
Cooling Technology Institute. Cooling Tower Fundamentals. 2015
International Energy Agency. Water Energy Nexus. 2016
Planbureau voor de Leefomgeving. Waterbeschikbaarheid in Nederland. 2021

‍