Bij het analyseren van een koel- of invriesproject zullen de, op het eerste zicht, hoge kost van cryogene vloeistoffen en de recente technische verbeteringen voor het mechanisch koelen bepalende factoren zijn in het beslissingsproces van een industrieel of een investeerder om een keuze te maken voor de meest voordelige technologie op een gegeven ogenblik.

Wij constateren, beroepshalve, dat in een eerste reflex en over het algemeen genomen zelfs, de voorkeur gegeven wordt aan de mechanische koeling ondanks de verdiensten van het cryogeen koelen of invriezen. Hoewel cryogene koeling nog steeds de meest efficiënte techniek is voor wat betreft kwaliteit, snelheid en flexibiliteit, toch is ze niet gekend als de meest innovatieve of financieel interessante technologie. Daarbovenop is de trend bij grote en/of internationale bedrijven om de mechanische koeltechnieken te gaan inzetten omwille van concentratie van hun productiemiddelen en om redenen van zichtbaarheid (mechanische koelsystemen zijn vaak sterk uit de kluiten gewassen constructies). Deze trend is opvallend in de Verenigde Staten.

Het marktaandeel voor de mechanische koeltechnologie wordt momenteel geschat op ongeveer een 90% vergeleken met slechts 10% voor het cryogeen koel(vries)technologie.

Meerdere factoren spelen een rol bij de keuze: productiecapaciteit (Kg/u), reinigingstijd, investering (Capex), de ruimtelijke dimensies (afmetingen), de koelvloeistoffen, toegevoegde waarde van het product om de kost van de cryogenie te kunnen dragen, opslagfaciliteiten na invriezen of koelen, enz….

De dominantie van de mechanische koeltechniek zorgt er voor dat men op een spontane manier hiervoor kiest wanneer het gaat over een grote productiecapaciteit of als een nieuw product in de markt wordt gebracht.

Langs de andere kant kan een cryogeen invriestoestel redelijk snel geïnstalleerd worden en is er vaal een opportuniteit om een tweedehandstoestel in te zetten. Wij kunnen hier bij aanvullen dat er specifieke toestellen voor het cryogeen invriezen op de markt bestaan om en binnenkort zullen ontwikkeld worden voor:

  • niet traditionele en innovatieve producten die alleen in een heel korte tijdsspanne en in kleine aantallen geproduceerd zullen worden en die makkelijk in bestaande productielijnen kunnen ingepast worden.
  • IQF (Individual Quick Frozen)
  • processen om vloeistoffen in te vriezen
  • startende bedrijven met een beperkt investeringsvermogen Naast een simulatietool (Cryosoft) ,waarbij we het invriestraject gaan simuleren en kwantificeren , heeft Air Liquide een zuiver economische en financiële tool ontwikkeld om beide technieken te vergelijken. Het doel van deze laatste studie is om een virtueel exhaustieve lijst van criteria in rekening te brengen, waarvan sommigen vaak vergeten of genegeerd worden tijdens berekeningen.Algemeen wordt aangenomen dat het speelveld voor de cryogene oplossing zich beperkt tot lage productiesnelheden en tot hoogwaardige producten (beide criteria zijn vaak gekoppeld).Het resultaat van deze simulaties met geactualiseerde cijfers is vaak redelijk verrassend en toont dikwijls aan dat een cryogeen vriesproject rendabel kan zijn alhoewel dat niet lijkt op het eerste zicht.De software houdt rekening met de volgende conventionele criteria:
  • Langs de andere kant kan het ook bevestigen dat een mechanische koeling kostefficiënt is . Elke situatie of project van een klant is uniek en verdient een individuele aanpak en oplossing. Voor hetzelfde product met een equivalente productiecapaciteit zijn de resultaten anders en dit in functie van de criteria die in het simulatieprogramma worden gevoerd.
  • Deze tools zijn ontwikkeld enkel voor gebruik binnen de Air Liquide groep om de klanten of prospecten te begeleiden bij hun keuze, een keuze die zowel voldoening moet geven als duurzaam dient te zijn. De simulaties zijn dan ook heel concreet en substantieel en geven de mogelijkheid om vrij snel een welbepaalde oplossing te gaan opteren.
  • Binnen de Air Liquide groep, zijn ze verder gegaan dan de algemene kwalitatieve beschouwingen van deze trends. Het kwaliteitsverschil tussen beide technologieën is vaak moeilijk te kwantificeren of te promoten.
  • Daarenboven blijft de cryogene technologie uitverkoren en soms zelfs onvermijdelijk tijdens het koelen of een temperatuurscontrole bij specifieke productieprocessen zoals vermalen van vlees of korsten voor het versnijden.

Product Data

Productiecapaciteit, aantal operationele uren in het jaar, input- en gewenste outputtemperatuur(meestal -18° C tot -25°C) van het product.

De tijd die het systeem nodig heeft om op een nominale productiecapaciteit te komen, de tijdsduur van een project (verwachtingspatroon van termijn van een nieuw ontwikkeld product.

Gewichtsverlies: dit aspect speelt een heel belangrijke rol in het uiteindelijk resultaat. Ter info: cryogeen invriezen geeft minder verdamping van de zogenaamd vrije watermoleculen in het product door de korte invriestijd. Daarbovenop heb je het grotere onmiddellijke koelvermogen (bvb door onderdompeling in of besproeiing door vloeibare stikstof) wat toelaat om watermoleculen te “vangen” omdat er op het oppervlak van het product heel snel een korst gevormd wordt. Gegevens zijn hieromtrent zijn beschikbaar in de wetenschappelijke literatuur en aangevuld met ervaringen uit de industrie. Het verschil varieert van 1 tot 4% vergeleken met de mechanische invriestechnologie en in combinatie met de verwachte levensduur van het product kan het van doorslaggevend belang zijn bij de uiteindelijke economische analyse.

 Equipment Data

De gewenste eindtemperatuur en productiecapaciteit, de enthalpie van het cryogeen medium, helpen bij de berekening van de benodigde koude-energie in kW en de nodige hoeveelheden vloeibare stikstof of koolzuur.

De aankoop- of huurwaarden van de cryogene installatie kunnen direct ingevoerd worden alsook afschrijvingsperiode en rentetarieven in geval van investering, dus aankoop.

In het geval van de mechanische koude zijn de invrieswaarden (lineaire tunnel, spiraal of fluidizer) wordt een onderscheid gemaakt tussen de installaties die uitgerust zijn met compressoren (ammoniac (R717) )of met een koelsystemen (R404 A). Er kan zelfs gerekend worden met een gecombineerde opstelling (bvb R717 + CO2).

Tevens worden civiele engineeringskosten, zoals betonfunderingen, gebouwen, enz… mee in rekening gebracht.Tal van opties mogen niet ontbreken zoals RVS afwerking, CIP, conveyor systemen in het geval van spiralen.

In functie van de lokale wetgevingen dienen er ook divers kosten in rekening gebracht te worden om gevaarlijke goederen op te slaan

Verbruiksgoederen

In aanvulling van de waarden van de vloeistofprijzen (gas, waswater en ontijswater) en elektriciteit , worden ook de inflatieniveaus in rekening gebracht voor zover gekend uiteraard. In sommige regionale gebieden kunnen die hoog oplopen.

De onderstaande tabel geeft een eenvoudige samenvatting van de resultaten van 2 simulaties op eenvoudige, gekende producten en toont ons hoe conclusies volledig tegenstrijdig kunnen zijn .

Nota de kostprijzen van beide installaties werden gecamoufleerd maar wel door middel van “x”-en een grootte toegekend.

Cryogene tcryogene-tunnelunnel          cooling-tunnel

Mechanische tunnel

 

Production Cost TECHNOLOGY TECHNOLOGY
CRYOGENIC FREEZING MECHANICAL FREEZING CRYOGENIC FREEZING MECHANICAL FREEZING
Minced Meat Potatoes
Selling Price (€/kg of product) A A B B
Initial Temperature 4°C 4°C 10°C 10°C
Final Temperature -18°C -18°C -18°C -18°C
Enthalpy difference (kcal/kg) 72 72 77 77
Energy Represented by kg of liquid N2 /kg of product 0,88 0,95
Hourly capacity (kg/h) 1000 1000 2000 2000
Annual capacity (Tons) 1800 1800 2700 2700
Refrigeration theoretical power (kW) 83,69 83,69 181 181
Duration before reaching nominal capacity (Years) 1 1 1 1
Expected duration of the project (years) 5 5 5 5
Freezer Investment (€) xx xxx xx xxx
Investment in compressors (€) 0 xxx 0 xxx
Civil Engineering (€) x xx x xx
Administrative costs 0 0 0 0
Annual rental of cryogenic gas storage (€) x 0 x 0
Cryogenic fluid supply line investment (€) x(x) 0 x(x) 0
Investment in safety devices (detectors, extraction of cold gasses) xx 0 xx 0
Electricity cost (€/kWh) 0.047 0.047 0.047 0.047
Liquid nitrogen molecule cost (€/kg) 0,08 0 0,08 0
Liquid nitrogen or electricity annual energy cost (€) xxx xx xxx xx
Loss of water from the product during processing (%) 0,5 3 0,5 3
Value of weight loss/year (€) A*0,5%*1800 Ton A*3%*1800 Ton A*0,5%*2700 Ton A*3%*2700 Ton
Annual consumption of process and washing water (€) 100 1000 100 1000
Annual maintenance (€) x x x x
Bank rates % 3 3 3 3
Depreciation periods (years)* 5 5 5 5
Cost of processing per kg (€) 0.139 0.276 0.107 0.061
Annual advantage /disadvantage (€) 245.000 -245.000 -247.000 247.000
* The depreciation period may vary according to the type of investment

Commentaar:

De belangrijkste elementen die een grote impact hebben op de resultaten kunnen we als het volgt samenvatten:

  • Initiële investering in het geval van een mechanische koelinstallatie
  • Het verbruik van vloeibare stikstof of CO2
  • Het verschil in gewichtsverlies gedurende het invriesproces , gerelateerd aan de marktwaarde van het product.Onderhoud, waterverbruik en de actuele percentages van de bankrentes spelen een minder grote rol in de uiteindelijke analyse. Conclusie: We wensen op te merken dat een verschil in gewichtsverlies van circa 3% tussen beide technologieën zeer sterk kan wegen op de financiële analyse en bijgevolg dienen deze zeer zorgvuldig gewaardeerd te worden.
  • De prijs van de vloeibare stikstof is tevens een zeer belangrijke factor en is grotendeels in functie van de geografische ligging van de site waar het vriesproces dient te gebeuren met andere woorden de afstand tussen gasproductie en de site spelen een rol, maar ook waar gasproductie is gelegen ( verschillende energieprijzen in verschillende geografische gebieden.