Európa arra törekszik, hogy 2050-re a világ első klímasemleges kontinense legyen. Ez a kijelentés sok erőfeszítés, szabályozás, innováció és olyan változás előtt nyitja meg az utat, amelyen az európai polgároknak és iparágaknak végig kell mennie.
A társadalom számára a klímasemlegességen keresztül egy jobb jövő építése nagyszerű lehetőség, de egyben kihívásokkal is jár. Az olyan gazdasági ágazatok, mint a közlekedés, az épületek, a mezőgazdaság és az ipar jelentős szerepet fognak játszani e cél elérésében. Európa következő mérföldköve, hogy 2040-re 90%-kal csökkentse a CO2-kibocsátását a 2019-es szinthez képest, ami nem könnyű feladat.
Mindannyian tudjuk, hogy az elektromos járművek nagyobb teljesítményt nyújtanak, mint a hagyományos belső égésű motorosok. Más szóval, az elektromos motorok háromszor hatékonyabbak, mint a belső égésű motorok, és ez az elsődleges oka annak, hogy az elmúlt évtizedben gyorsan terjednek.
Azt is tudjuk, hogy bizonyos technológiák, mint például a fotovoltaikus napenergia vagy a szélenergia segítségével történő villamosenergia-termelés miért jobbak, mint a hagyományos, fosszilis energiával működő erőművekkel történő villamosenergia-termelés.
Mondhatjuk, hogy ugyanez vonatkozik minden új technológiára, még azelőtt, hogy a piac teljesen átvenné őket. Jobbak, bár első pillantásra drágábbnak tűnhetnek.
Az európai ipar ma az EU teljes energiaigényének nagyjából egyharmadáért és európa teljes üvegházhatású gáz kibocsátásának mintegy 20%-áért felelős.
Az energiaszükségleteket minden iparágban 2 kategóriába lehet sorolni:
- Villamosenergia a gyártósorok és a gépek működtetéséhez, a világítás biztosításához, valamint a gyártóberendezések és ipari folyamatok hűtéséhez.
- Fosszilis tüzelőanyag ipari kazánok működtetéséhez, amelyek forró vizet vagy gőzt termelnek, vagy közvetve a levegőt melegítik olyan folyamatokhoz, mint a szárítás és a sütés.
Ebben a cikkben egy technológiára és egy iparágra összpontosítunk, hogy bemutassuk, hogyan lehet lépésről lépésre kezelni a szén-dioxid-mentesítés lehetőségét.
Hőszivattyúk & Élelmiszeripar
Az élelmiszeriparban a fosszilis energia és a villamos energia aránya körülbelül 80/20. A legtöbb fosszilis tüzelőanyagot az ipari kazánok működtetésére használják, amelyek a 150 °C hőmérsékletet csak ritkán meghaladó ipari folyamatokhoz szükséges hőenergiát termelik.
Az élelmiszeripar ma talán a legkönnyebben széndixodmentesíthető iparág, köszönhetően az ipari hőszivattyúknak, amelyek könnyen kiválthatják vagy minimalizálhatják a fosszilis tüzelőanyag-kazánoktól való függőséget. Minden egyes tagállamban több száz, ha nem több ezer gyár van, amelyek élelmiszereket és italokat állítanak elő az emberek számára, illetve exportálnak más országokba.
A hőszivattyúk a fűtéstechnika elektromos járművei; nem csak fenntartható fűtést biztosítanak, és szüntetik meg a gázkazánokra való utaltságot, de ha a megfelelő módon tervezik és integrálják őket egy folyamatba, akkor a hűtést is biztosíthatják.
A legtöbb olvasó tudja, hogy egy családi házban egy 10 kW-os hőszivattyú nagyon hatékonyan és rövid megtérülési idővel tud 55 °C-os meleg vizet előállító kazánt helyettesíteni, amely így pénzügyi megtakarítást eredményez. Azonban nem sokan tudják, hogy ipari létesítményekben akár 150 °C-os meleg vizet vagy gőzt is biztosíthatnak. Minden ipari folyamat hulladékhőt bocsát ki a légkörbe, gondoljunk csak a hűtőrendszerek kondenzátoraira, hűtőtornyaira, a kombinált erőművekre és a füstgázokra; ezek többsége ipari méretekben tökéletes hőforrást jelent egy ipari hőszivattyú számára.
Ha például 50°C-os hulladékhőt hasznosítunk, és hőszivattyúval 100°C-ra emeljük, akkor az R-1233zd hűtőközeg használatával 4,5-es teljesítménytényezőt (COP) kapunk; ez azt jelenti, hogy közel 500%-kal hatékonyabbak lehetünk, mint egy hagyományos ipari gázkazán.
Ez jó példa arra, hogy minimalizálhatjuk vagy megszüntethetjük a fosszilis tüzelőanyagok felhasználását, csökkenthetjük a CO2-kibocsátást, biztosíthatjuk az ipari folyamatoknak a végtermékek előállításához szükséges hőt, miközben egyidejűleg megtakarítást érhetünk el az üzemeltetéssel (OPEX).
Több tucatnyi élelmiszeripari folyamat létezik, amely kihasználhatja az ipari hőszivattyúkat, mint például a sterilizálás, pasztőrözés, főzés, szárítás, sörfőzés, desztilláció, blansírozás és sok más.
A hőszivattyúk használatának extra bónusza, hogy hűteni is lehet velük, ami segíthet a folyamatok hűtési igényeinek kielégítésében és a meglévő folyamathűtők fogyasztásának csökkentésében.
Hűtőközegek
A hőszivattyúk működési elvét jól ismerjük: egy munkaközeg (hűtőközeg) elnyeli a hőt az egyik oldalról (hőforrás), majd egy kompresszor összenyomja, hogy megemelje a nyomását, és a másik oldalon (hőnyelő) leadja a hőt. Azonban nem minden hőszivattyú egyforma.
Sok szempontot figyelmen kívül hagynak, és ezek egyike a munkaközeg (hűtőközeg) kiválasztása. Különböző szempontokat kell figyelembe vennünk, mielőtt a kiválasztunk egy közeget egy adott alkalmazáshoz:
- GWP* és ODP*
- Biztonsági osztály (a nem gyúlékony, nem mérgezőtől a fokozottan gyúlékonyig és a fokozottan mérgezőig)
- Működési tartomány (forráspont és kritikus hőmérséklet)
- Üzemi nyomás
- Volumetrikus fűtőteljesítmény
- Hatékonyság
Az ipari hőszivattyú alkalmazásokban főként a következő hűtőközegeket használják:
- Ammónia: nagyon alacsony GWP és B2L besorolású, ami azt jelenti, hogy enyhén gyúlékony, de már nagyon alacsony koncentrációban is erősen mérgező.
- Szénhidrogének (bután, pentán, izobután, izopentán): nagyon alacsony GWP, jó fűtőteljesítménnyel és hatékonysággal rendelkeznek, de nagyon gyúlékonyak és robbanásveszélyesek (A3).
- HFO-k (hidrofluor-olefinek): a fluorozott gázok 4. generációja, nagyon alacsony GWP- és ODP-értékkel, minden HFO-t specifikus felhasználási körülményekhez terveztek, különböző termodinamikai és biztonsági tulajdonságokkal. Az ipari hőszivattyú alkalmazásokban használt legnépszerűbbek közé tartozik az R-1234ze (E) és az R-1233zd (E) a Honeywell Solstice® márkanév alatt.
- Víz: vitathatatlanul az egyetlen olyan hűtőközeg, amelyet kizárólag gőzfejlesztésre vagy gőzsűrítésre használnak.
A biztonság fontossága
A biztonság óriási szerepet játszik minden ipari folyamatban. Nagy különbség van egy családi házban használt hőszivattyú, ahol a hűtőközegtöltet nem haladja meg a 200 grammot, és egy ipari folyamathoz használt hőszivattyú üzemeltetése között, ahol a hűtőközegtöltet 50 kg-tól indul és akár több ezer kg-ig is terjedhet. A való életben, ahol szivárgás történhet, a dolgok rendkívül elfajulhatnak, ha a felhasznált hűtőközeg mérgező és 80 barg nyomás alatt működik, vagy erősen gyúlékony és robbanásveszélyes egy olyan robbanási kockázatot hordozó környezetben, mint a szeszesitalok lepárlása, cukorgyár, papír- és cellulózgyár. A fenti példa azt mutatja, hogy a hőszivattyúk segíthetnek az élelmiszeripar szén-dioxid-mentesítésében. Bizonyos típusú hűtőközegek kockázatot jelentenek, ellentétben a nem mérgezőnek és nem gyúlékonynak minősítettekkel, amelyek rendkívül hatékonyak és biztonságosak lehetnek egy létesítményben.
Konklúzió
A hőszivattyúk fontos szerepet játszhatnak a könnyűipar szén-dioxid-mentesítésében Európában, hogy felgyorsítsák a nettó zéró kibocsátási célok elérését.
A technológia készen áll, és számos tagállam különböző típusú támogatásokat, alapokat és segélyeket nyújt az iparnak a kezdeti beruházások és a működési költségek támogatására. A hőszivattyúk életképes opciót jelentenek azon iparágak számára, amelyek már rendelkeznek saját villamosenergia-termelésre alkalmas kapcsolt hőerőművel, valamint azon tagállamok számára, amelyekben a villamos energia és a gáz áraránya (hőszivattyú COP – 1).
Példa: Ha a hőszivattyú COP-értéke 4, és a villamos energia és a gáz áraránya 3, akkor a hőszivattyú életképes megoldás.
A nem mérgező és nem gyúlékony vagy enyhén gyúlékony hűtőközeg választása kiküszöböli azt a sok kockázatot, amelyet az ipari végfelhasználóknak kell vállalniuk, ha mérgező vagy gyúlékony hűtőközeget választanak.
Végül a hőszivattyúk nagyszerű megoldást jelenthetnek Európa iparának versenyképesebbé tételére, mivel lehetővé teszik az ipar számára, hogy a végtermékek energiaintenzitása sokkal alacsonyabb legyen, és ezáltal csökkenjen az energiaköltségek terhe, és megnyíljon a lehetőség az ipar eredményének növelésére, a versenyképesebb árképzésre vagy akár a termelési kapacitás növelésére és a szűk keresztmetszetek elkerülésére.
GWP : Global Warming Potential = globális felmelegítő hatás.
ODP : Ozone Depleting Potential = ózonlebontó potenciál.
OPEX : OPerational EXpense = üzemeltetési költségek.