Европа стремится стать первым климатически нейтральным континентом к 2050 году. Эта декларация открывает путь для многих усилий, нормативных актов, инноваций и изменений, которые должны учитывать европейские граждане и промышленные предприятия.
Построение лучшего будущего для общества на основе климатической нейтральности – это большая возможность, но и множество вызовов. Такие отрасли экономики, как транспорт, строительство, сельское хозяйство и промышленность, будут играть важную роль в достижении этой цели. Следующим шагом для Европы станет сокращение выбросов CO2 на 90 % в 2040 году по сравнению с уровнем 2019 года, и это непростая задача.
Когда речь заходит об энергоэффективности, мы все знаем, что электрические машины обладают лучшими характеристиками, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Другими словами, электромоторы в три раза эффективнее двигателей внутреннего сгорания, и это главная причина их быстрого распространения в последнее десятилетие.
Мы также знаем, почему некоторые технологии, такие как фотоэлектрическая солнечная энергия или производство электроэнергии с помощью ветра, превосходят традиционный способ производства электроэнергии с помощью электростанций, работающих на ископаемом топливе.
То же самое можно сказать о любой новой технологии, пока рынок не принял ее полностью. Она лучше, но на первый взгляд может показаться более дорогой
В настоящее время на долю европейской промышленности приходится около трети общего спроса на энергию в Евросоюзе и около 20% от общего объема выбросов парниковых газов в Европе.
Потребности в энергии в любой отрасли можно разделить на две категории:
- Электроэнергия нужна для питания производственных линий, машин и освещения, а также для того, чтобы охлаждающее и холодильное оборудование способствовало промышленному процессу.
- Ископаемое топливо используется для промышленных котлов, которые производят горячую воду, пар или, косвенно, нагревают воздух для таких процессов, как сушка и выпечка.
В этой статье мы сосредоточимся на одной технологии и одной отрасли, чтобы продемонстрировать, как мы можем шаг за шагом использовать возможности декарбонизации.
Тепловые насосы и пищевая промышленность
В пищевой промышленности соотношение ископаемого топлива и электроэнергии составляет примерно 80/20. Большая часть ископаемого топлива используется для промышленных котлов, которые нагревают технологические процессы до температуры, редко превышающей 150°C.
Агропищевая промышленность – одна из самых простых отраслей для декарбонизации благодаря наличию промышленных тепловых насосов, которые могут легко заменить или свести к минимуму зависимость от топливных котлов. В каждой стране-члене ЕС есть сотни, если не тысячи, заводов, которые поставляют продукты питания и напитки для населения и экспортируют их в другие страны.
Тепловые насосы – это электрические машины для отопления. Они не только являются устойчивым решением для отопления, но и устраняют зависимость от газовых котлов. Они также могут производить холод, если их правильно спроектировать и интегрировать в систему.
Большинство читателей знают, что тепловой насос мощностью 10 кВт может заменить котел в доме и обеспечивать горячую воду температурой 55°C очень эффективно, с очень коротким сроком окупаемости и финансовой экономией. С другой стороны, мало кто знает, как он может работать в промышленных установках для подачи горячей воды или пара температурой до 150°C. Каждый промышленный процесс выбрасывает отработанное тепло в атмосферу; вспомните холодильные конденсаторы, градирни, ТЭЦ и дымовые газы – большинство из них являются идеальным источником тепла для теплового насоса промышленного масштаба.
Например, при использовании отработанного тепла при температуре 50°C и повышении его температуры до 100°C с помощью теплового насоса достигается коэффициент полезного действия (КПД) 4,5 при использовании хладагента R-1233zd; это означает, что эффективность может быть почти на 500% выше, чем у обычного промышленного газового котла.
Этот пример позволяет сократить, минимизировать или даже исключить использование ископаемого топлива, выбросы CO2 и обеспечить процесс теплом, необходимым для производства конечного продукта, при этом сэкономив на OPEX*.
Сегодня промышленные тепловые насосы могут быть полезны для многих агропищевых процессов, включая стерилизацию, пастеризацию, приготовление пищи, сушку, пивоварение, дистилляцию, бланширование и многие другие.
Преимущество использования тепловых насосов заключается в том, что можно производить холод, который удовлетворяет потребности в охлаждении и снижает потребление существующих технологических чиллеров.
Хладагенты
Все мы знаем, как работают тепловые насосы: хладагент поглощает тепло с одной стороны (источник тепла), затем сжимается компрессором для повышения давления и, наконец, тепло отводится с другой стороны (теплоотвод). Однако не все тепловые насосы одинаковы.
Многие аспекты упускаются из виду, и один из них – выбор хладагента. Прежде чем выбрать хладагент для конкретного применения, необходимо учесть различные аспекты:
- ПГП* и ПРО*.
- Классификация безопасности (от невоспламеняющихся и нетоксичных до легковоспламеняющихся и высокотоксичных).
- Рабочий диапазон (температура кипения и критическая температура).
- Рабочее давление.
- Объемная тепловая мощность.
- Эффективность.
Для промышленных тепловых насосов в основном используются такие хладагенты, как
- Аммиак: очень низкий ПГП*, классифицируется как B2L, что означает, что он слабо воспламеняется, но очень токсичен в очень низких концентрациях.
- Углеводороды (бутан, пентан, изобутан, изопентан): очень низкий ПГП*, сочетают хорошую теплоемкость с высокой эффективностью, но очень огнеопасны и взрывоопасны (A3).
- Гидрофтор-олефины (ГФО): 4-е поколение фторированных газов с очень низкими показателями ПГП* и ПРО*. Каждый ГФО разработан для конкретных целей, имеет ряд различных термодинамических и безопасных свойств. Одними из наиболее популярных HFO, используемых в промышленных тепловых насосах, являются R-1234ze(E) и R-1233zd(E) марки Solstice® от компании Honeywell.
- Вода: это, пожалуй, единственный хладагент, используемый исключительно для производства пара или рекомпрессии пара.
Безопасность превыше всего
Это ключевой фактор во всех промышленных процессах. Существует большая разница между эксплуатацией теплового насоса для отдельного дома, где загрузка хладагента не превышает 200 граммов, и эксплуатацией теплового насоса для промышленного процесса, где загрузка может составлять от 50 до нескольких тысяч кг. В реальности, когда может произойти утечка, ситуация может выйти из-под контроля, если используемый хладагент токсичен и работает при давлении ниже 80 бар, или если он легковоспламеняющийся и взрывоопасен в условиях, где существует риск взрыва, например, при перегонке спирта, на сахарных заводах, бумажных и целлюлозных фабриках. Приведенный выше пример показывает, что тепловые насосы могут помочь в декарбонизации пищевой промышленности. Некоторые типы хладагентов представляют опасность, в отличие от нетоксичных и невоспламеняющихся, которые могут быть чрезвычайно эффективными и безопасными в установке.
Заключение
Тепловые насосы могут сыграть решающую роль в декарбонизации Европы для ускорения достижения целей, связанных с нулевым уровнем выбросов.
Технология уже готова, и многие страны-члены ЕС предоставляют различные виды субсидий, фондов и грантов для поддержки промышленности в отношении первоначальных инвестиций и текущих расходов. Они являются жизнеспособным вариантом для предприятий, имеющих ТЭЦ для производства собственной электроэнергии, а также для стран-членов ЕС,в которых установлено пропорциональное соотношение между ценами на электроэнергию и газ (КПД теплового насоса – 1).
Пример: если тепловой насос имеет КПД 4, а цена электроэнергии по сравнению с газом составляет 3, то тепловой насос является жизнеспособным вариантом.
Выбор нетоксичного и невоспламеняющегося или слабовоспламеняющегося хладагента устраняет многие риски, с которыми сталкиваются промышленные потребители при обращении с токсичными или воспламеняющимися хладагентами.
Наконец, тепловые насосы могут стать отличным решением для повышения конкурентоспособности европейского промышленного сектора, поскольку они позволят иметь гораздо более низкую энергоемкость конечной продукции, а значит, снизить бремя расходов на энергию и открыть путь к повышению результатов работы предлагая более конкурентоспособные цены или даже увеличивая производственные мощности и избегая перенасыщения.
ПГП: Потенциал глобального предупреждения ПРО: Потенциал разрушения озонового слоя OPEX: операционные расходы