De zoektocht naar het ideale koelmiddel: alles draait om additieven

Serge Lievens is al zo'n dertig jaar actief in de ontwikkeling van koelvloeistoffen en leert naar eigen zeggen nog iedere dag bij. Dat is ook nodig, want de zoektocht naar het ideale koelmiddel eindigt nooit. De koelsystemen van auto's - al dan niet elektrisch - vrachtwagens, scheepsmotoren, gasturbines, kerncentrales, windmolens en datacentra stellen uiteenlopende, vaak tegenstrijdige en voortdurend nieuwe eisen aan koelmiddelen. Aan Serge Lievens en zijn R&D-team bij Arteco de taak om de ontwikkelingen in die diverse toepassingen bij te houden en de producten daarop aan te passen.  

Koelvloeistoffen worden al tientallen jaren toegepast. Wat valt daar nog aan te verbeteren?

"Het oorspronkelijk koelmiddel was gewoon water en dat voldoet uitstekend. Water bevriest echter in de winter in regio’s als het onze, daarom voeg je een alcohol zoals mono ethylene glycol  toe om een koelvloeistof te maken die het hele jaar bruikbaar is. In vele regio’s zal water ook calcium bevatten wat een afzetting kan vormen die niet wenselijk is in een koelsysteem. Corresponderend voeg je een additief toe om dit ongewenst effect tegen te gaan. Koelvloeistoffen beschermen ook tegen corrosie. De gevormde beschermlaag kan echter een isolerende laag vormen die de afvoer van warmte belemmert. Om dit op te vangen voeg je een ander additief toe aan je koelvloeistof om de laagopbouw binnen de perken te houden. En zo kan ik nog even doorgaan. Dus in de eerste plaats moet een koelmiddel de warmte afvoeren, wat gebeurd door selectie van de basisvloeistof, dit is niet de moeilijkste wetenschappelijke uitdaging. Onze toegevoegde waarde zit in het bepalen van de mix van additieven die een specifiek koelsysteem het best beschermen en stabiel houden en dit voor een langere periode en onder zware condities."

Bedoel je dat voor ieder koelsysteem een ander koelmiddel optimaal is?

"Zeker. Belangrijk is bijvoorbeeld de temperatuur van het systeem dat gekoeld moet worden. In verbrandingsmotoren is die de laatste decades steeds hoger komen te liggen waardoor de efficiëntie aanzienlijk toegenomen, is. Zo liepen oude motoren bij 88 graden Celsius, moderne motoren opereren bij 110 graden Celsius of zelfs nog hoger. Bij de lagere temperaturen is glycol-oxidatie minimaal, vandaag is de verhoogde temperatuur echter een belangrijke factor om rekening mee te houden. Dat betekent dat we ook additieven moeten hebben om de oxidatie van ethylene glycol tegen te gaan en de koelvloeistof stabiel te houden. Bij verhoogde temperaturen zijn metalen namelijk aanzienlijk gevoeliger voor corrosie. Door een verbeterde corrosiebescherming in te bouwen, kunnen autofabrikanten de werkingstemperatuur van hun motoren verhogen. Daarmee zijn wij een enabler van efficiëntere motoren."

Die toegevoegde waarde heeft ertoe bijgedragen dat Arteco, aanvankelijk 'een underdog' in de Europese markt, tegenwoordig een benchmark speler is. Ons marktaandeel plaatst ons op nummer 1 of 2 in de Europese koelmiddelmarkt. Deze positie kan wel eens wijzigen ten opzichte van onze grootste concurrent die een vergelijkbaar marktaandeel heeft en dit op basis van een paar klanten. Die opmars schrijft Serge Lievens toe aan een 'game changer' die de Arteco technologie te weeg bracht: Organic Additive Technology (OAT), ofwel het vervangen van minerale additieven zoals silicaten door organische.

Waarom was OAT een game changer?

"Met organische additieven vormt zich een zeer dunne laag, en dan nog alleen op de plaatsen waar corrosie start. Dat leidt tot een betere warmtetransfer, maar ook tot een veel lager verbruik van additieven. Vroeger moest koelvloeistof om de twee jaar vervangen worden, met OAT konden wij een levensduur van vijf jaar garanderen. Sommige van onze klanten gaan zelf zo ver dat ze een “life time” naar voor schuiven voor hun gebruik in hun toepassingen. Mijn bijdrage was niet de uitvinding zelf, maar wel de implementatie, verbetering en vrijgave van de technologie bij lokale en wereldspelers zoals GM, Renault, Caterpillar, Opel, BMW, Daf, Volvo, Volkswagen….."

Je zou bijna denken: hoe moeilijk kan de implementatie zijn voor een game changer met alle voordelen die je beschrijft?

"Ondanks de vele voordelen, kostte het nog steeds veel tijd en moeite. De automotive-industrie is in het algemeen conservatief, veel klanten stonden weigerachtig tegenover onze nieuwe technologie. In automotive draait het om veiligheid, dus alles moet dubbel worden gevalideerd. Als klanten tientallen jaren goede ervaringen hebben met een goede koelmiddel technologie, is het heel moeilijk ze te overtuigen iets nieuws te proberen. Zeker als de industrie specificaties geschreven zijn rond de historische producten. Dus waar hebben we de kansen gekregen? In de eerste plaats waar er problemen waren. We zijn samen begonnen te werken met diverse klanten die problemen hadden met corrosie, uitval of verstoppingen van het koelsysteem. De goede resultaten en de demonstratie dat problemen er bijkomend mee opgelost werden was een goede motor in de overtuigingskracht. Zo zijn we positieve referenties gaan opbouwen en van daaruit zijn we dan verder gegroeid. Het heeft na de ontwikkeling toch wel zeker vijf jaar geduurd voordat we een breder aanvaard product in de markt hadden. Ook daarna was het nog bijna tien jaar hard timmeren om andere klanten te overtuigen over te stappen op onze technologie."

Wat betekent de opkomst van elektrische voertuigen (EV's) voor jullie?

"Ook daar draait het om de selectie van de additieven. Elektrische auto's zijn voor ons wezenlijk een andere uitdaging. Bij verbrandingsmotoren is er een sterke focus op corrosiebescherming, waar het bij EV's eerder het constant houden van de temperatuur van de batterij is. Als een batterij namelijk te warm of te koud wordt, gaan de levensduur en de efficiëntie snel achteruit. Een goede warmtetransfer, het voorkomen van laagvorming en lokale oververhitting zijn daarom cruciale vereisten aan koelvloeistoffen voor EV's. Daar komt bij dat de op water gebaseerde koelvloeistoffen gebruikt bij verbrandingsmotoren en elektriciteit van nature geen goede combinatie vormen. Een trend is dan om te kijken naar koelvloeistoffen met een aanzienlijk lagere elektrische geleidbaarheid, als extra veiligheidsmaatregel om accidentele kortsluiting en mogelijke propagatie in de batterij te voorkomen. Zo zal er later dit jaar een wetgeving van kracht komen in China die voor EV's alleen nog laag-geleidende koelmiddelen toestaat, de elektrische conductiviteit bij deze producten is een factor vijftig lager dan deze van koelmiddelen voor verbrandingsmotoren. Onze nieuwste generatie koelmiddelen staat reeds in de startblokken, maar je kunt je voorstellen dat daar een heel andere additief strategie voor nodig was."

Jullie hebben ook koelvloeistoffen voor datacentra en direct to chip cooling op de markt gebracht. Is dat weer een heel andere tak van sport?

"Dat is inderdaad weer een heel andere applicatie met zijn eigen noden. Tot een paar jaar geleden waren datacentra luchtgekoeld. Door de opkomst van AI stijgt de rekenkracht die je nodig hebt exponentieel. Zo gebruikt ChatGPT voor het beantwoorden van een zoekvraag tien tot honderd keer meer energie dan Google Search. Dat betekent dat ook de warmteproductie tien tot honderd keer groter wordt, en om die warmte af te kunnen voeren, schakelen datacentra nu over op een meer efficiënte koeling zoals vloeistofkoeling. Voor ons is dat een nieuwe puzzel en een nieuwe opportuniteit. Om een voorbeeld te geven: koelmiddelen voor datacentra hoeven niet vorstbestendig te zijn en bevatten daarom nauwelijks of geen antivries. Dat is helaas ideaal voor bacteriegroei, dus moeten wij uitzoeken hoe die het best tegen kunnen gaan. Een ander voorbeeld: ethylene glycol dat al honderd jaar wordt gebruikt in koelmiddelen is schadelijk. In een gesloten koelsysteem van een auto is dat acceptabel. Maar de verwachting is dat thuiscomputers op termijn ook vloeistof gekoeld zullen zijn, zoals high-end gaming computers dat nu al zijn. De standaard voor chip-koeling lijkt daarom het minder schadelijke propyleenglycol te worden, wat voor ons weer een nieuw puzzelstukje vormt. Deze ontwikkelingen zijn voor ons natuurlijk heel interessant, wij verwachten dat dit een belangrijke industrie wordt. Ik zou zeggen dat Arteco daarin nu een van de voorlopers is. Maar we denken dat we onze positie verder kunnen verstevigen doordat we excellente expertise in huis hebben en een geoptimaliseerd productgamma kunnen aanbieden."

Is het ontwikkelen van koelvloeistoffen soms niet meer art dan science?

"Nee, het is wel echt science. Het is een kwestie van goed kijken, blijven leren en begrijpen waar kruisbestuivingen mogelijk zijn. Dat is op zich wel een kunst natuurlijk, maar het is niet gewoon wat potjes door elkaar roeren en afwachten wat er gebeurt. Dit kan een verkeerde perceptie zijn, maar je moet wel weten wat je doet: wat je samenvoegt, hoe je het samenvoegt en hoeveel je samenvoegt. Heel veel van onze additieven zijn agressief als je er te veel maar ook als je er te weinig van toevoegt. In de juiste dosering, of gecombineerd met de juiste doses van andere additieven, geven ze de bescherming die je zoekt. Die juiste mix kan voor iedere toepassing of koelsysteem weer anders zijn. Veel hangt af van de materialen die fabrikanten gebruiken voor hun motorblok, pakkingen, leidingen et cetera maar ook het gebruik in de applicatie zoals de temperatuur of belasting bepalen de juiste keuze van het koelmiddel."

Het vinden van de juiste additieven-mix voor ieder koelsysteem lijkt heel tijdrovend. Of hebben jullie inmiddels zoveel data dat je goed kunt modelleren wat een nieuwe combinatie van additieven gaat opleveren?

"Het is zeker een tijdrovend proces. Sommige testen doen we maar één of twee keer per jaar, omdat ze meer dan tweeduizend uur lopen. Deze frequentie levert niet voldoende empirische data op om een computermodel mee te voeden. Wie weet kan dat in de toekomst wel, maar nu komt het nog aan op onze kennis van het veld, ervaring en intuïtie om in betrekkelijk korte tijd tot resultaat te komen. En toch is het nog altijd zo dat we soms synergiën of antagonistische effecten vinden die we niet hadden kunnen voorspellen. Weet je, iedereen denk bij koelmiddelen direct aan een simpele antivries. Een koelvloeistof is echter heel complex en de vriesbescherming is slechts een van de basis eigenschappen waar we rekening mee houden. De vloeistof maakt contact met een waaier van onderdelen in een voertuig. Niet alleen de motor, ook de thermostaat, de waterpomp, slangen, afdichtingen, de radiator, de binnenverwarming en meer recent de batterij bij BEV’s (Battery Electric Vehicles). Al die onderdelen van een koelsysteem moet je in overweging nemen. Enkel de motor koelen, dat is niet moeilijk. Maar de combinatie van onderdelen stelt vaak tegenstrijdige eisen. In die zin is iedere koelvloeistof een goed overwogen en geoptimaliseerd compromis. Ons werk is voor iedere toepassing het ideale compromis te vinden."

Zijn jullie producten niet heel goed te reverse engineeren zodat de concurrenten precies kunnen zien wat de toevoegingen zijn?

"Als je exact weet wat erin zit, is dat mogelijks eenvoudiger, als je het echter niet weet is het een hele uitdaging. Als grote concurrenten dat echt willen kunnen ze ons koelmiddel in grote lijnen analyseren. Kleinere spelers zullen daarvoor echter veel moeite hebben. Maar zoals je weet: nummer 1 worden is moeilijk, nummer 1 blijven is nog moeilijker. Nu zijn wij niet meer de underdog, nu zijn wij de benchmark en iedereen wil zich meten met ons."

Hoe bescherm je je tegen concurrenten die te dicht bij jullie technologie komen?

"Binnen Arteco proberen we een goede balans te houden tussen octrooien en trade secrets. Zaken die goed geanalyseerd kunnen worden, proberen we zoveel mogelijk te beschermen via patenten. Zaken die moeilijk of bijna niet te analyseren zijn houden we als bedrijfsgeheim. Geen gemakkelijke opgave daar analyse technologieën ook evolueren. Wat vandaag moeilijk te analyseren is, is morgen misschien gemakkelijker te analyseren. In de loop van mijn carrière ben ik het belang van IP meer en meer gaan waarderen. Toen ik begon bij Texaco werkten we met interne IP specialisten, waar vandaag we bij Arteco samenwerken met een extern octrooikantoor als NLO. Toen ik mijn carrière startte had ik geen enkele achtergrond in intellectual property (IP), echter moesten we wel onze eigen patentaanvragen schrijven. Dat leverde niet altijd de best denkbare octrooien op, maar het was wel een goede leerschool. In de loop der jaren is de kennis en inzicht verder gegroeid en daarmee is ook mijn interesse en affiniteit met het interessante onderwerp IP gegroeid. Inmiddels noem ik het een “hobby”. Met Sarah en de rest van het NLO-team hebben we nu een open dialoog waarin we elkaar kunnen challengen en ideeën omvormen tot waardevolle octrooien. Zij blijven de IP-experts, wij de technologie-experts. Samen hebben we een gemeenschappelijke taal ontwikkeld waarin we de complexiteit en nuances van elkaars vakgebied kunnen overbrengen. Een mooie additionele kunst om naast innovatieve producten, additionele waarde voor ons bedrijf te creëren via science."