По мере того как производители продуктов питания ускоряют переход от ископаемого топлива, промышленные тепловые насосы все чаще признаются ключевой технологией для сокращения выбросов углерода. Однако замена газового котла — это лишь часть задачи. Для многих предприятий пищевой промышленности ключевым вопросом стало: как можно производить пар низкого давления экологически устойчивым, эффективным и экономичным способом?
В новом техническом документе компании Solstice Advanced Materials этот вопрос исследуется путем сравнения высокотемпературных тепловых насосов и технологий механической рекомпрессии пара (MVR) для промышленного производства пара, что дает ценную информацию для производителей продуктов питания и напитков, стремящихся к достижению целей нулевого баланса выбросов.
Пар по-прежнему играет ключевую роль в пищевой промышленности
Пар низкого давления с температурой около 140 °C по-прежнему является краеугольным камнем производственных процессов в пищевой промышленности. Он широко используется в процессах приготовления пищи, пастеризации, стерилизации, очистки, дезинфекции и сушки, где необходима надежная и регулируемая теплопередача. Несмотря на значительные успехи в области электрификации промышленности, производство пара по-прежнему остается одной из самых сложных областей для декарбонизации.
Эта проблема особенно актуальна, поскольку многие промышленные паровые системы по-прежнему работают на котлах, работающих на природном газе. Хотя эти системы проверены временем и хорошо знакомы, они также вносят значительный вклад в прямые выбросы парниковых газов. По мере ужесточения целей в области устойчивого развития производители пищевых продуктов оценивают альтернативные технологии, способные обеспечить ту же тепловую мощность при значительно меньшем углеродном следе.
Тепловые насосы и MVR: два пути к низкоуглеродному пароснабжению
В исследовании Solstice оцениваются две ведущие альтернативы: высокотемпературные тепловые насосы и системы механической рекомпрессии пара (MRV*) с использованием нагнетателей.
Высокотемпературные тепловые насосы рекуперируют отработанное тепло из промышленных процессов и повышают его температуру до полезного уровня посредством цикла сжатия пара. Системы MVR, в свою очередь, непосредственно сжимают водяной пар, повышая его температуру и давление, чтобы его можно было повторно использовать в качестве источника тепла. В некоторых случаях обе технологии можно объединить в каскадную конфигурацию, при которой тепловой насос обеспечивает начальное повышение температуры, а система MVR — окончательное повышение параметров пара.
Хотя системы MVR позволяют достигать очень высокого КПД, в исследовании отмечается, что при необходимости значительного повышения температуры они часто требуют нескольких ступеней сжатия, дополнительного оборудования и более сложной установки. Эти факторы могут увеличить капитальные затраты и повлиять на общую экономическую эффективность проекта.
Сокращение выбросов углерода превышает 90 %
Одним из наиболее убедительных выводов анализа является масштаб сокращения выбросов, достижимый с помощью технологий генерации пара на основе электричества..
Совокупная стоимость владения (TCO) и эквивалентные выбросы CO₂ на 1 МВт·ч за весь жизненный цикл оборудования при стоимости электроэнергии 0,1785 €/кВт·ч (100 г CO₂-экв./кВт·ч электроэнергии) и газа 0,068 €/кВт·ч (200 г CO₂-экв./кВт·ч газа).
(Источник: White Paper Solstice).
В установке пищевой промышленности с мощностью 1 МВт, работающей 24 часа в сутки и 250 дней в году, каскадная конфигурация, сочетающая тепловой насос и три установки механической рекомпрессии пара (MVR) с бустером, обеспечила сокращение выбросов CO₂ за весь жизненный цикл на 90,3 % по сравнению с традиционным газовым котлом. В то же время совокупная стоимость владения (TCO) снизилась на 29 %.
Однако наиболее поразительный результат был получен, когда исследователи провели оценку высокотемпературного теплового насоса, работающего автономно, без дополнительного оборудования MVR.
В этом сценарии выбросы сократились на 89,8 %, а TCO снизилась на 37,4 % по сравнению с базовым показателем для газового котла. Согласно исследованию, это делает автономную конфигурацию теплового насоса наиболее экономически привлекательным вариантом для многих систем с использованием пара низкого давления.
Экономика важнее, чем одна только эффективность
Исследование подчеркивает важный урок для лиц, принимающих решения в промышленности: самая эффективная технология не всегда является наиболее рентабельной.
Хотя системы MVR могут обеспечивать превосходные коэффициенты производительности, связанные с ними дополнительные капитальные затраты могут нивелировать часть экономии на эксплуатационных расходах. Анализ показал, что более высокие затраты на оборудование и монтаж, связанные с системами MVR на основе воздуходувок, могут негативно повлиять на совокупную стоимость владения, особенно при небольших мощностях парогенерации, характерных для пищевой промышленности.
В результате компании, оценивающие стратегии декарбонизации пара, должны учитывать не только энергоэффективность, но и требования к установке, затраты на техническое обслуживание и долгосрочную экономику эксплуатации. Используемый в исследовании подход, основанный на совокупной стоимости владения (TCO), учитывает все эти факторы, обеспечивая более реалистичную основу для выбора технологии.
Цены на энергоносители будут влиять на внедрение
Экономическая целесообразность промышленных тепловых насосов также в значительной степени зависит от местных энергетических рынков.
Исследователи проанализировали влияние соотношения цен на электроэнергию и газ, широко известного как «spark spread»**. Страны с относительно низкими ценами на электроэнергию и более высокими затратами на газ, как правило, обеспечивают наилучшую экономическую эффективность внедрения тепловых насосов. И наоборот, в регионах, где электроэнергия остается дорогой, сроки окупаемости могут быть более длительными, а темпы внедрения — более медленными.
Это свидетельствует о том, что государственные стимулы, программы поддержки электрификации и расширение использования возобновляемых источников энергии будут и впредь играть важную роль в ускорении внедрения промышленных тепловых насосов по всей Европе.
Стандартизация может еще больше снизить затраты
В отчете также отмечаются значительные возможности для снижения затрат за счет стандартизации и масштабирования.
Капитальные затраты на промышленные тепловые насосы в настоящее время оцениваются примерно в 200–400 евро за киловатт в зависимости от конфигурации и технологии. Авторы приходят к выводу, что более широкое внедрение, стандартизация производственных процессов и использование негорючих хладагентов, таких как R-1233zd, могут еще больше снизить затраты. Согласно исследованию, снижение стоимости оборудования до нижней границы указанного диапазона может обеспечить дополнительное сокращение совокупной стоимости владения на 5–10 %.
Такие изменения укрепили бы экономическую целесообразность замены существующих газовых котлов, сделав при этом передовые системы тепловых насосов доступными для более широкого круга производителей пищевых продуктов.
Новый этап декарбонизации промышленности
Первая волна декарбонизации промышленности была сосредоточена на замене систем отопления, работающих на ископаемом топливе. Следующий этап будет посвящен производству пара — одному из самых энергоемких и выделяющих большое количество выбросов процессов в производстве.
Результаты исследования, представленные в исследовании Solstice, свидетельствуют о том, что высокотемпературные тепловые насосы становятся практичным и финансово привлекательным решением для систем низконапорного пара, широко используемых в секторе производства продуктов питания и напитков. Сочетая существенное сокращение выбросов с более низкими затратами на протяжении всего жизненного цикла, эти системы могут позволить производителям продвигаться к достижению своих целей в области устойчивого развития без ущерба для конкурентоспособности.
Для предприятий пищевой промышленности, реализующих стратегии достижения нулевого баланса выбросов, вопрос уже не в том, можно ли декарбонизировать производство пара, а в том, как быстро можно масштабировать этот переход. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что высокотемпературные тепловые насосы могут стать одним из наиболее перспективных решений.
*MVR: Mechanical Vapor Recompression — механическая рекомпрессия пара.
** spark spread — разница между ценой продажи электроэнергии и стоимостью природного газа, необходимого для её производства.
Выводы, обсуждаемые в данной статье, основаны на техническом докладе компании Solstice Advanced Materials «Исследование тепловых насосов и вентиляторных систем MVR в качестве вариантов генерации пара низкого давления», авторами которого являются Виссам Рашед, Амр Ризк и Кимура де Карвалью Бруно Юджи.
Crédit : @Solstice Advanced Materials
