Membraantechnologie voor luchtbehandelingsunits

21/09/2022

Dankzij de unieke membraantechnologie is het eFRM HEPA filtermedium al jaren het medium bij uitstek voor talrijke eindgebruikers in de biowetenschappen en de micro-elektronica-industrie. Naast de lage drukval ligt de focus in deze segmenten op risicominimalisatie door een hoge mechanische stabiliteit en chemische weerstand.

Door de extreem lage drukval is het eFRM filtermedium voorbestemd voor gebruik in HEPA filters met hoge stroming, zoals die worden gebruikt in ventilatiesystemen voor high purity omgevingen. Om deze toepassing te onderzoeken, werd een test uitgevoerd onder echte buitenluchtcondities. Voor dit doel werden eFRM HEPA filters onderworpen aan een "1000 dagen" lange termijn test, parallel aan conventionele glasvezel HEPA filters in een tweetraps filtersysteem, met gebruik van de AAF testcontainer. Na een beschrijving van de testcontainer behandelt het artikel het gedrag van de filters op korte en lange termijn.

Op korte termijn zijn er interessante correlaties te zien tussen de relatieve vochtigheid en de drukval van de HEPA filters. Op de lange termijn wordt aangetoond dat het voordeel van de lage drukval van de eFRM HEPA filters behouden blijft, zelfs wanneer 100% verse lucht wordt gebruikt. Verder worden de economische gevolgen besproken die voortvloeien uit de gunstige drukvalkarakteristieken van eFRM HEPA filters in vergelijking met HEPA filters op basis van glasvezels.

Hiertoe worden zowel de bedrijfskosten als de "Total Cost of Ownership" besproken, vooral tegen de achtergrond van de verschillend stijgende elektriciteitskosten in verschillende landen. De energiekosten vanaf eind 2021, waarop dit document is gebaseerd, moeten nu maandelijks naar boven worden bijgesteld, dus de huidige kostenvoordelen van het gebruik van eFRM HEPA filters zullen waarschijnlijk hoger zijn dan de getoonde waarden.

De koolstofvoetafdruk tijdens het gebruik van de verschillende filters wordt ook besproken. Hoewel de koolstofvoetafdruk (als gevolg van nationaal verschillende energiemixen) sterk verschilt tussen de landen, bieden eFRM HEPA-filters een aanzienlijk voordeel ten opzichte van conventionele glasvezel HEPA-filters. eFRM membraan HEPA filters zijn dus niet alleen een economische, maar ook een ecologisch verantwoorde technische oplossing voor deeltjesfiltratie in hoogzuivere omgevingen.

Testcontainer

In de AAF 40' testcontainer zijn vier filtersystemen, elk met twee trappen, parallel geïnstalleerd. Elk filtratiesysteem heeft in de eerste trap een VariCel EcoPak ePM1 55% compact voorfilter met glasvezelmedia. In de tweede trap zijn traditionele H14 glasvezel HEPA filters AstroCel I HC en H14 eFRM membraan HEPA filters MEGAcel I elk geïnstalleerd in twee filtersystemen. De filtercombinatie is dus een ePM1 55% filter, direct gevolgd door een H14 HEPA filter. De volumestroom werd bewaakt met volumestroomopeningen. De drukverliezen van de volumestroomopeningen en die van de respectieve filterstadia werden op afstand bewaakt met het AAF Sensor360^®-systeem. Op het Sensor360^®-systeem was ook een commerciële PM2,5-deeltjessensor aangesloten bij de luchtinlaat van de container. Daar was ook een datalogger voor luchttemperatuur en luchtvochtigheid geïnstalleerd. Foto 3 toont de testcontainer in de Diniar-fabriek in Olaine (Letland). De buizen aan de linkerkant zijn de luchtuitlaten van de vier filtersystemen in de container.

Testuitvoeringen

In het eerste deel van de test werd de container gedurende 83 dagen 24/7 gebruikt in de AAF-fabriek in Emmen (Nederland). Na een revisie werd de container getransporteerd naar de Dinair-fabriek in Olaine (Letland) en werd daar gedurende 828 dagen 24/7 gebruikt. De filters werden gebruikt met een debiet van 3150 m³/u. De volumestroom werd indien nodig handmatig bijgesteld. De voorfilters werden gebruikt tot aan de belastingslimiet, in één geval zelfs daarboven, zodat het filterpakket brak. Het drukverlies bedroeg toen meer dan 550 Pa. Ze werden ongeveer elke 3 maanden vervangen. Door nog een voorfilter toe te voegen in de efficiëntierange ePM2.5 of ePM10 kan de levensduur van het VariCel EcoPak ePM1 55% compacte voorfilter zeker worden verlengd.

Testomstandigheden

Temperatuur & relatieve vochtigheid

De testcontainer werd blootgesteld aan aanzienlijke seizoensgebonden schommelingen in temperatuur en relatieve vochtigheid van de inlaatlucht. In de winter werden regelmatig temperaturen van -10°C bereikt, en in sommige gevallen zelfs -20°C. Dit resulteerde enkele keren in ijsvorming op de voorfilters (Foto 4). In de zomer liepen de piektemperaturen op tot 35°C. De relatieve vochtigheid was van nature laag in de winter, onder 10%, maar bereikte waarden tot 100% in de zomer. In de loop van de dag correleert de relatieve vochtigheid meestal met de temperatuur, d.w.z. ze daalt als de lucht overdag opwarmt en stijgt als het 's nachts afkoelt.

Deeltjesconcentratie

De gemeten PM2,5-deeltjesconcentraties vertonen ook grote seizoensgebonden variaties (figuur 1). De gemiddelde PM2,5-waarde was 37µg/m³. Voor de nabijgelegen Letse hoofdstad Riga geeft het Europees Milieuagentschap een PM2,5 -gemiddelde waarde van 12µg/m3 aan voor 2018-2020. Beide gemiddelde waarden liggen in het bereik >7,5µg/m3 en dus in het bereik van buitenluchtcategorie ODA 3 (buitenlucht met zeer hoge concentraties fijn stof) volgens Eurovent-richtlijn 4/23-2020, die rekening houdt met de nieuwste aanbevelingen van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO global air quality guidelines 2021). De gemeten PM2,5 piekwaarden liggen in het bereik van 200-370µg/m³. Het kan niet worden uitgesloten dat condensatie-effecten bij een hoge relatieve luchtvochtigheid hebben bijgedragen aan de piekwaarden.

Testresultaten

Temperatuur & relatieve vochtigheid

In het verloop van het drukverlies moet onderscheid worden gemaakt tussen kortetermijneffecten en de langetermijnontwikkeling. Overdag werden vaak kortetermijnfluctuaties in de drukval waargenomen (Figuur 2).

Duidelijk is het aanzienlijke drukverliesverschil tussen de traditionele glasvezelfilters AstroCel I en de HEPA-filters met MEGAcel I eFRM-membraan. De glasvezelfilters liggen op een niveau van 400-450 Pa, terwijl de MEGAcel I eFRM membraan HEPA met 180-320 Pa beduidend lager ligt. Er werd een directe correlatie gevonden tussen de toename van de relatieve vochtigheid en de toename van de drukval. Deze drukdalingstoename werd waargenomen bij zowel glasvezelfilters als eFRM MEGAcel I filters. Het is omkeerbaar in beide gevallen, maar is iets hoger in het geval van eFRM membraanfilters. De redenen hiervoor zouden condensatie-effecten in het filtermateriaal zelf kunnen zijn, maar zijn nog onderwerp van lopend onderzoek. De drukvalontwikkeling op lange termijn moet hiervan worden onderscheiden.

Figuur 3 toont de ontwikkeling van de drukval op lange termijn van het traditionele glasvezel HEPA-filter vergeleken met het MEGAcel I eFRM membraan HEPA-filter. De initiële drukval van het MEGAcel I eFRM membraan HEPA filter is met 180 Pa minder dan de helft van het traditionele glasvezel HEPA filter, dat in het bereik van 380 Pa ligt. Voor beide filters zijn er periodieke fluctuaties in de drukval, die iets groter zijn voor het MEGAcel I eFRM membraan HEPA filter in vergelijking met de traditionele glasvezel HEPA filters. Voor de duidelijkheid zijn de waarden in het bovenstaande diagram gemiddeld over een paar dagen. Naarmate de belasting toeneemt, neemt de drukval van beide filters toe, maar de waarden voor het MEGAcel I eFRM membraan HEPA filter blijven altijd aanzienlijk lager dan die voor het traditionele glasvezel HEPA filter. Tegen het einde van de test is het drukvalverschil nog steeds ongeveer 150 Pa.

Voordelen van MEGAcel I eFRM membraan HEPA filters

Total Cost of Ownership (TCO)

Voor een kostengeoptimaliseerde werking van een filtersysteem moet de Total Cost of Ownership TCO geminimaliseerd worden. Deze bestaat in wezen uit de investeringskosten CF voor de filters plus de energiekosten voor de werking van de ventilator CE die de drukval veroorzaakt door de filters moet overwinnen.

Energiekosten

De energiekosten voor de werking van het filter zijn recht evenredig met de drukval van hetfilter:

Aangezien in een filterinstallatie de basisvoorwaarden zoals volumestroom, bedrijfstijd, ventilatorrendement en elektriciteitskosten meestal gegeven zijn, kunnen de energiekosten alleen worden verlaagd door een filter te kiezen met de laagst mogelijke drukval. Figuur 4 toont de ontwikkeling van de elektriciteitskosten in enkele Europese landen. Deze verschillen aanzienlijk van land tot land. In verband met de COVID-pandemie zijn ze in 2021 in heel Europa sterk gestegen. Hoewel er begin 2022 sprake was van een licht herstel, wordt een significant herstel niet verwacht in de context van de Russische oorlog in Oekraïne. Integendeel, de elektriciteitskosten zullen naar verwachting hoog blijven, zo niet zelfs stijgen.

In juni 2022 bedroegen de elektriciteitskosten in vergelijking met januari 2020 +376% in Zweden, +524% in Duitsland en zelfs +555% in Frankrijk. Er moet worden opgemerkt dat figuur 4 alleen groothandelsprijzen toont. Afhankelijk van het verbruikte volume kunnen ze aanzienlijk hoger liggen voor commerciële of industriële klanten. Netkosten en andere vergoedingen moeten ook worden toegevoegd. Geen van beide worden in figuur 4 in aanmerking genomen. De selectie van een filter met de laagst mogelijke drukval is daarom van cruciaal belang voor een kostengeoptimaliseerde werking van een filtersysteem.

CO2-uitstoot en voetafdruk

Elke energieopwekking gaat gepaard met een bepaalde CO2-uitstoot. Dit wordt gewoonlijk de CO2-voetafdruk genoemd. Het niveau van de CO2-uitstoot en dus de CO2-voetafdruk hangt af van de energiemix van de elektriciteitsverbruiker. Fossiele energiebronnen (kolen, gas, olie) genereren van nature een hogere CO2-uitstoot dan regenereerbare energiebronnen (wind, zon, water). Voor hetzelfde elektriciteitsverbruik varieert de resulterende CO2-uitstoot daarom sterk van land tot land. Tabel 1 toont het niveau van CO2-uitstoot door elektriciteitsopwekking in verschillende landen. Uiteraard hebben landen met een hoog gebruik van hernieuwbare energiebronnen of kernenergie, zoals Zweden, Zwitserland of Frankrijk, een relatief lage CO2-uitstoot voor elektriciteitsopwekking.

2020	Zweden	Zwitserland	Frankrijk	Finland	Spanje	Italië	Duitsland
CO2 uitstoot (g/kWh)	9	12	51	69	156	213	311

Tabel 1: CO2-uitstoot door elektriciteitsopwekking in verschillende landen [2].

Voorbeeld

Laten we eens kijken naar de energiekosten, TCO en CO2-voetafdruk in een betonnen toepassing, uitgaande van de omstandigheden zoals beschreven voor de containertest. Daarvoor gaan we uit van het volgende:

Vanwege de hierboven beschreven situatie op de energiemarkten gaan we uit van de groothandelsprijzen voor elektriciteit in juni 2022 en verwaarlozen we omwille van de eenvoud alle netvergoedingen en andere heffingen.

Elektriciteitsprijzen	Finland	Zweden	Spanje	Duitsland	Frankrijk	Zwitserland	Italië
June 2022 (€/kWh)	0,1403	0,1148	0,1694	0,2182	0,2487	0,2552	0,716
Verhoging vs. Jan 2022	+417%	+376%	+312%	+524%	+555%	+500%	+472%

Tabel 2: Groothandelsprijzen voor elektriciteit juni 2022 (zonder netkosten en andere vergoedingen) en stijging ten opzichte van januari 2022 voor sommige landen [1].

Figuur 5 vergelijkt de energiekosten voor de werking van een glasvezel HEPA-filter met een eFRM membraan HEPA-filter in verschillende landen onder de hierboven genoemde omstandigheden, berekend met formule (2).

De verschillende elektriciteitskosten in de verschillende landen resulteren in aanzienlijk verschillende energiekosten voor de werking van een filter. In ons voorbeeld zijn de kosten in Italië ongeveer 2,37 keer hoger dan in Zweden. Onafhankelijk hiervan wordt in elk land een kostenbesparing van ongeveer 50% getoond bij het gebruik van eFRM membraan HEPA filters. Bij het berekenen van de totale eigendomskosten worden volgens formule (1) de investeringskosten voor de filters opgeteld bij de energiekosten. Uitgaande van de volgende investeringskosten,

Figuur 6 toont de ontwikkeling van de totale eigendomskosten in de tijd voor verschillende landen.

Door de lagere investeringskosten voor de glasvezelfilters zijn hun totale eigendomskosten aanvankelijk lager dan die van de eFRM-membraanfilters. Maar door de aanzienlijk lagere energiekosten tijdens het gebruik van de eFRM membraanfilters keert deze verhouding na verloop van tijd om (Figuur 6). Het punt waarop dit gebeurt is het zogenaamde break-even punt, vanaf wanneer de werking van de eFRM membraanfilters van hogere kwaliteit economisch rendeert. Verschillen in energiekosten tussen de landen spelen hierbij nauwelijks een rol. De terugverdientijden liggen altijd in de orde van enkele maanden (Figuur 7).

Figuur 8 toont de resulterende Total Cost of Ownership over de veronderstelde bedrijfstijd van 18.000 uur.

Door de verschillende energiekosten in de verschillende landen, zijn er aanzienlijke verschillen in Total Cost of Ownership voor de filters. Los hiervan zijn er in alle landen aanzienlijke kostenbesparingen van 35% tot meer dan 42%. Met de energieverbruiken die ten grondslag liggen aan figuur 5, kunnen de CO2-equivalenten in figuur 9 worden berekend.