Słodki sekret pomp ciepła

Coraz więcej pomp ciepła

Oczekuje się, że światowy rynek przemysłowych pomp ciepła zwiększy się dwukrotnie w ciągu następnej dekady. Popyt na zieloną energię wzrasta wraz z dążeniami do osiągnięcia celów redukcji emisji. Szczególnie widać to w Europie, która jednocześnie musi znaleźć sposób na zmniejszenie zapotrzebowania na rosyjski gaz. Przemysł jest coraz bardziej świadomy możliwości, jakie można osiągnąć dzięki pompom ciepła. Widać zdecydowany wzrost zainteresowania w tym sektorze, względem kilku ubiegłych lat.

Pompy ciepła pracujące w fabrykach działają w nieco inny sposób, niż te wykorzystywane w systemach centralnego ogrzewania w domach. Ich przemysłowe odpowiedniczki są dużo większe, a sam czynnik roboczy pozyskuje ciepło w odmienny sposób. Najczęściej energia czerpana jest z ciepła odpadowego i wykorzystywana do zasilenia innego procesu przemysłowego. Między innymi sektor spożywczy wyłapuje ciepło odpadowe z lodówek i używa go do podtrzymania działania innych maszyn.

Właśnie w taki sposób pracuje system w fabryce Mars Inc. w Veghel, w Holandii. Wyprodukowane tam słodycze przetrzymywane są w chłodniach, z których pobierane jest ciepło odpadowe. Następnie fabryka zużywa je do utrzymywania odpowiedniej temperatury wody, wykorzystywanej w procesach wytwórczych. Wysyłana przez fabryczną sieć rur ciepła woda pomaga utrzymać ciepło potrzebne do produkcji czekolady na oczekiwanym poziomie.

Dzięki takiemu zabiegowi holenderska fabryka batoników Mars obniżyła rachunki za energię o 6%. Do tej pory zamontowano tam dwie pompy ciepła: pierwszą w 2015 roku, a instalację drugiej zakończono przed 2021 r.

Potrzeba dekarbonizacji przemysłu

W krajach takich jak Niemcy i Finlandia rosnące ceny gazu w ciągu ostatnich kilku lat wzmocniły ekonomiczne uzasadnienie instalacji pomp ciepła. Jednak implementacja tego rozwiązania w przemyśle jest dużo trudniejsza niż w komercyjnych zastosowaniach.

Według International Energy Agency (IEA), aby osiągniecie ogólnoświatowej zerowej emisji do połowy stulecia było możliwe, w przemyśle należy instalować około 500 megawatów pomp ciepła miesięcznie przez następne 30 lat.

Do realizacji tego planu przyczyniła się również fabryka czekolady w Halifax w Wielkiej Brytanii. Energooszczędny system ogrzewania i chłodzenia pracujący w fabryce Nestle zdobył nawet nagrodę branżową RAC Cooling Industry Award jako przemysłowy projekt roku.

Wspomniana pompa ciepła również wykorzystuje technologię bazującą na cieple odpadowym. W tym przypadku czynnikami roboczymi są glikol i woda. Ten pierwszy jest czynnikiem chłodniczym, a woda jest podgrzewana do 60°C i zużywana do przygotowania czekolady.

Instalacja pompy ciepła jest wyposażona w jednostopniową sprężarkę śrubową, dzięki czemu może dostarczać ciepłą wodę znacznie wydajniej niż tradycyjny kocioł gazowy. Instalacja jest zaprojektowana tak, aby zapewniać ponad 20-letnią pracę bez kosztownych prac konserwacyjnych, które są nie do uniknięcia przy zastosowaniu sprężarek innego typu. Ponadto pompa ciepła oprócz dostarczania ciepła i chłodu do procesów przetwórczych używana jest do ogrzewania firmowych budynków.

Ten dwufunkcyjny system chłodzenia i ogrzewania obniżył koszty wytwórcze w zakładzie Halifax o ponad 200 000 funtów na rok. Do tego uniknięto ponad 500 000 kg emisji CO2 rocznie. 

Wykorzystany system jest dostępny w dwóch wersjach: o wydajności 300 kW oraz 8000 kW. Może być zaprojektowany do chłodzenia zarówno wody, jak i czynników chłodniczych, w tym glikolu. Dlatego nadaje się do zastosowań obejmujących chłodzenie procesowe, ogrzewanie, klimatyzację z ogrzewaniem, wytwarzanie pary, a nawet odsalanie.

Dlaczego produkcja czekolady jest tak energochłonna? 

Cały cukierniczy sekret tkwi w wielogodzinnym procesie konszowania. Polega on na mieszaniu czekolady przez długi okres czasu w temperaturze 60°C. Wszystkie firmy cukiernicze stosują procesy ogrzewania i chłodzenia, aby wytworzyć czekoladę wysokiej jakości. Niestety większość z nich nadal używa do tego gazu.

Przejście na instalację z pompą ciepła jest w stanie przynieść realne oszczędności. Dla przykładu szwajcarska firma Maestrani, aby utrzymać stałą temperaturę konszowania, przestawiła się na pompę ciepła zasilaną właśnie ciepłem odpadowym. Dzięki temu zużycie energii w fabryce spadło o 20%, zmniejszając ilość emitowanego CO2 rocznie o 170 ton. Współpraca pomp ciepła i lodówek jest łatwym połączeniem technologicznym, ponieważ w istocie są to te same urządzenia, tylko o odwróconych obiegach chłodniczych. 

Nie tylko czekoladowi lordowie polegają na pompach ciepła

Wytwórstwo to jedna z najbardziej energochłonnych gałęzi przemysłu. Wszystkie europejskie firmy niezależnie od branży szukają przede wszystkim oszczędności i sposobu przejścia na bardziej ekologiczne źródła energii w swoich fabrykach. Tendencja do zmian wzrosła szczególnie ostatnio po drastycznych podwyżkach cen paliw konwencjonalnych. Kalejdoskop firm wybierających pompy ciepła stale się poszerza. Już teraz z tej technologii korzystają bardzo różniące się branże, od producentów serów po wytwórców cegieł. 

W odpowiedzi na nową gałąź zapotrzebowania producenci pomp ciepła musieli dopracować technologię przemysłowej odsłony swoich urządzeń. Pompy używane jako źródło ciepła w domowych instalacjach grzewczych mają za małe moce, by sprostać potrzebom przemysłu. 

Takie “zwykłe” pompy ciepła mogą podgrzać czynnik roboczy do temperatury 95°C. Jest to zdecydowanie za mało do podtrzymania większości procesów produkcyjnych. 

Obecnie specjalne wysokotemperaturowe pompy ciepła osiągają temperaturę 165°C, przy czym pilotażowe projekty pozwoliły na uzyskanie nawet 300°C. Według ostatnich badań przeprowadzonych przez IEA (International Energy Agency), w przyszłości pompy ciepła mogłyby dostarczać 30% ciepła procesowego o temperaturze 400°C. Pomimo opóźnionego tempa rozwoju tej technologii już teraz zyskuje ona na popularności w różnych dziedzinach przemysłu.

Na przykład jedna ze szwajcarskich serwerowni pomaga w produkcji sera. Tradycyjna metoda, według której przygotowywany jest najsłynniejszy ser na świecie, wzbogaciła się o nowy składnik, jakim jest pompa ciepła. Ciepło odpadowe wychwycone z komputerów tej SERwerowni wykorzystywane jest przez pompę ciepła do podgrzewania wody używanej przy produkcji sera.

Serowarzy z Gais Mountain potrzebują wody o temperaturze 85°C, by każdego dnia pasteryzować do 50 000 litrów mleka do produkcji sera. Według obliczeń mleczarnia położona na alpejskich wzgórzach w północno-wschodniej Szwajcarii oszczędza rocznie około 2 miliony kilowatogodzin gazu. Firma korzysta z ogrzewania gazowego tylko w sytuacjach awaryjnych lub podczas prac naprawczych, by nie doszło do przerwania produkcji.

Równie energochłonne procesy towarzyszą produkcji cegieł. Mieszanie gliny, piasku i wody w przemysłowych proporcjach, z których następnie należy uformować cegły, wysuszyć i wypalić, pochlałnia teradżule energii. 

Od 2019 roku w jednej z cegielni w austriackiej gminie Uttendorf technolodzy próbują obniżyć ilość nakładów energetycznych przeznaczanych na produkcję. Ciepło uciekające przy procesie wypalania jest tam zużywane do zasilania wysokotemperaturowej pompy ciepła. Następnie strumień ten służy do osuszenia cegieł przed wypalaniem. Wprowadzenie takiej innowacji pozwoliło na ograniczenie zużycia gazu o 30% i spowodowało zmniejszenie emisji CO2 od około 2000 do 3000 ton rocznie.

Fabryka jest obsługiwana przez Wienerberger AG – największego na świecie producenta cegieł, który posiada ponad 200 oddziałów w 28 krajach. Wienerberger planuje również instalację wysokotemperaturowych pomp ciepła w swoich oddziałach w Polsce, Wielkiej Brytanii i Holandii. Z czasem kocioł gazowy w zakładzie Uttendorf ma zostać w pełni zastąpiony kotłem zasilanym energią elektryczną.

Źródła: Washington Post, IEA, Process engineering, DW