Ηλεκτροδότηση της βιομηχανίας με ευέλικτες αντλίες θερμότητας

Ερευνητές στο ETH Zurich και το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών της Ανατολικής Ελβετίας ανέπτυξαν μια νέα λύση για αντλίες θερμότητας. Χρησιμοποιώντας αυτή τη νέα προσέγγιση, οι εταιρείες μπορούν να παράγουν θερμότητα επεξεργασίας χωρίς άνθρακα σε θερμοκρασίες έως και 200 ​​βαθμούς Κελσίου, ενώ παράλληλα μειώνουν δραστικά τον αριθμό των διαφορετικών αντλιών θερμότητας που απαιτούνται.

Ηλεκτροδότηση της βιομηχανίας με ευέλικτες αντλίες θερμότητας | Talking Science®
Η βιομηχανία ευθύνεται για περισσότερο από το ένα τρίτο των παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου – ακόμη περισσότερο από την παραγωγή ή τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας.

Εν συντομία

  • Η νέα λύση που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές χρησιμοποιεί ένα μείγμα δύο συστατικών, το οποίο αυξάνει την απόδοση έως και 25 τοις εκατό.
  • Μεταβάλλοντας τη σύνθεση του μείγματος ψυκτικού μέσου, οι αντλίες θερμότητας μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν ώστε να χρησιμοποιούν διαφορετικές πηγές θερμότητας και να δημιουργούν διαφορετικές θερμοκρασίες.
  • Η νέα τεχνολογία δίνει ιδιαίτερη υπόσχεση για τον ηλεκτρισμό της θερμότητας διεργασίας στις βιομηχανίες τροφίμων, χημικών και φαρμακευτικών προϊόντων.

Είτε παράγουν τρόφιμα, ποτά, φάρμακα, μέταλλα ή χαρτί είτε επεξεργάζονται επιφάνειες και υφάσματα, οι βιομηχανικές εταιρείες χρειάζονται θερμότητα διεργασίας για πολλές εφαρμογές. Μεγάλο μέρος αυτού εξακολουθεί να παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Κατά συνέπεια, η παραγωγή θερμότητας διεργασίας ευθύνεται για ένα μεγάλο ποσοστό των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου (GHG) στον παγκόσμιο βιομηχανικό τομέα. Στην Ελβετία, ευθύνεται για το 8% περίπου των συνολικών εκπομπών GHG.

Ο βιομηχανικός τομέας θα μπορούσε ήδη να παράγει θερμότητα διεργασίας έως και 200 ​​βαθμούς Κελσίου με φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο, χρησιμοποιώντας βιομηχανικές αντλίες θερμότητας που λειτουργούν με ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές. Ωστόσο, παρά αυτή τη δυνατότητα, οι αντλίες θερμότητας εξακολουθούν να είναι ασυνήθιστες σε βιομηχανικές συνθήκες. Αυτό συμβαίνει επειδή τα υπάρχοντα μοντέλα τείνουν να είναι ακριβές κατασκευές που κατασκευάζονται κατά παραγγελία για μια συγκεκριμένη βιομηχανική εφαρμογή και θερμοκρασία.

Τώρα, ερευνητές από το ETH Ζυρίχης και το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών της Ανατολικής Ελβετίας στο Buchs έχουν αναπτύξει μια λύση που επιτρέπει στις αντλίες θερμότητας να παράγουν θερμότητα φθηνά και ευέλικτα σε διάφορες θερμοκρασίες έως και 200 ​​βαθμούς Κελσίου. Αυτό ταιριάζει στις ανάγκες του κλάδου πολύ περισσότερο από τις εμπορικά διαθέσιμες λύσεις, γι’ αυτό και πολλές ελβετικές και διεθνείς εταιρείες έχουν ήδη εκφράσει ενδιαφέρον για την τεχνολογία.

Οι ερευνητές δοκίμασαν τη νέα τους προσέγγιση σε αυτή τη δοκιμαστική εγκατάσταση. (Φωτογραφία: Ostschweizer Fachhochschule)

Εκμετάλλευση θερμότητας από το περιβάλλον

Οι αντλίες θερμότητας αξιοποιούν την ενέργεια που αποθηκεύεται στην απορριπτόμενη θερμότητα ή στον αέρα του περιβάλλοντος, στα υπόγεια ύδατα ή στο έδαφος. Παράγουν θερμότητα για θέρμανση ή επεξεργάζονται θερμότητα με εξάτμιση ενός ψυκτικού υγρού σε ένα κλειστό σύστημα και στη συνέχεια περνώντας το αέριο μέσω ενός συμπιεστή για να αυξηθεί η θερμοκρασία του. Η θερμότητα που λαμβάνεται σε αυτή τη διαδικασία μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση κτιρίων ή για βιομηχανικές διεργασίες.

Στις συμβατικές αντλίες θερμότητας, η επιτεύξιμη θερμοκρασία και το προφίλ θερμοκρασίας καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από την επιλογή του ψυκτικού μέσου. Όλα τα εξαρτήματα της αντλίας θερμότητας – από τον εξατμιστή και τον συμπιεστή μέχρι τον συμπυκνωτή και τη βαλβίδα εκτόνωσης – είναι προσαρμοσμένα σε αυτό το ψυκτικό μέσο. Εάν ένα εργοστάσιο απαιτεί θερμότητα σε διαφορετικές θερμοκρασίες για πολλαπλές εφαρμογές, αυτό μπορεί να επιτευχθεί επί του παρόντος μόνο με τη χρήση πολλαπλών αντλιών θερμότητας, η καθεμία με διαφορετικό ψυκτικό μέσο. Αυτό είναι και δαπανηρό και άβολο, γι’ αυτό και οι αντλίες θερμότητας δεν έχουν σημειώσει πρόοδο στον βιομηχανικό τομέα.

Το μείγμα ψυκτικού μέσου ενισχύει την ευελιξία

Ο André Bardow, Καθηγητής Μηχανικής Συστημάτων Ενέργειας και Διεργασιών στο ETH Zurich, πιστεύει ότι η ομάδα του έχει βρει μια καλύτερη λύση: «Αντί για ένα μόνο ψυκτικό, χρησιμοποιούμε ένα μείγμα. Αυτό επιτρέπει σε μια αντλία θερμότητας να χρησιμοποιεί διαφορετικές πηγές θερμότητας και να δημιουργεί διαφορετικά προφίλ θερμοκρασίας.»

Η σύνθεση του μείγματος ψυκτικού μέσου μπορεί να ποικίλλει για να καλύψει διαφορετικές εφαρμογές. Αυτό είναι ένα βασικό πλεονέκτημα για τις εταιρείες: αντί να χρειάζεται να επανασχεδιάζουν ολόκληρη την αντλία θερμότητας όποτε χρειάζονται διαφορετική θερμοκρασία, μπορούν απλώς να τροποποιήσουν το μείγμα, το οποίο είναι πολύ απλούστερο και φθηνότερο.

Το ίδιο το μείγμα αποτελείται από ένα παραδοσιακό ψυκτικό και ένα επιπλέον συστατικό. Το προφίλ θερμοκρασίας της αντλίας θερμότητας υπαγορεύεται από την αναλογία αυτών των δύο συστατικών. «Καταρχήν, μπορείτε να έχετε οποιονδήποτε αριθμό διαφορετικών προφίλ για βιομηχανικές διεργασίες, αρκεί οι θερμοκρασίες να μην υπερβαίνουν τους 200 βαθμούς. Αυτό είναι το σημαντικότερο πλεονέκτημα που προσφέρει η τεχνολογία μας», λέει ο Bardow.

Ανάλογα με τη σύνθεση του μείγματος (μπλε και κίτρινες κουκκίδες στα δεξιά), η καμπύλη θερμοκρασίας της αντλίας θερμότητας αλλάζει (αριστερά) (GIF: Dennis Roskosch / ETH Zurich)

Χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο υπολογιστή για να προσδιορίσετε το σωστό μείγμα

Για να προσδιορίσουν τα κατάλληλα εξαρτήματα για το μείγμα ψυκτικού, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μοντέλο υπολογιστή που προσομοιώνει το κύκλωμα της αντλίας θερμότητας με διαφορετικές παραλλαγές του μείγματος ψυκτικού μέσου. «Επεκτείναμε τα υπάρχοντα θερμοδυναμικά μοντέλα για αντλίες θερμότητας ενσωματώνοντας τα εξαρτήματα της αντλίας θερμότητας καθώς και τη σύνθεση του μείγματος στη διαδικασία βελτιστοποίησης», λέει ο Dennis Roskosch, Senior Scientist στην ερευνητική ομάδα του Bardow.

Το μοντέλο των ερευνητών βασίζεται σε περισσότερα από 200 εκατομμύρια γνωστά συνθετικά μόρια για να προσομοιώσει ένα μείγμα δύο μορίων που προσφέρει την πιο αποτελεσματική απόδοση της αντλίας θερμότητας.

Αρχικοί συνεργάτες για πιλοτική μονάδα

Μόλις οι ερευνητές βρήκαν το βέλτιστο μείγμα ψυκτικού, επιβεβαίωσαν τις ιδιότητές του στο εργαστήριο αντλίας θερμότητας στο Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών της Ανατολικής Ελβετίας. «Οι δοκιμές έδειξαν ότι το μείγμα μας αυξάνει την απόδοση μιας εμπορικά διαθέσιμης βιομηχανικής αντλίας θερμότητας έως και 25 τοις εκατό, όπως ακριβώς είχαμε προβλέψει», λέει ο καθηγητής Stefan Bertsch, επικεφαλής του εργαστηρίου αντλίας θερμότητας. Οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να αποδείξουν πώς οι διαφορετικές συνθέσεις του μείγματος ψυκτικού μέσου επηρεάζουν το προφίλ θερμοκρασίας.

Η ομάδα ελπίζει τώρα να παρέχει ακόμη πιο συγκεκριμένα παραδείγματα για το πώς η τεχνολογία της θα μπορούσε να ωφελήσει συγκεκριμένες βιομηχανικές εφαρμογές. Η νέα αντλία θερμότητας είναι πιθανό να έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον στις βιομηχανίες τροφίμων, φαρμακευτικών και χημικών, όπου πολλές διεργασίες απαιτούν θερμοκρασίες κάτω των 200 βαθμών.

Ταυτόχρονα, οι ερευνητές συνεργάζονται στενά με κατασκευαστές αντλιών θερμότητας όπως η MAN Energy Solutions ή η Scheco AG και με συνεργάτες της Ελβετίας όπως η Lindt. Το επόμενο βήμα είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας πιλοτικής μονάδας για τη διεξαγωγή περαιτέρω δοκιμών.

Aναδημοσίευση άρθρου του Christoph Elhardt 12.06.2024 στο ETH Zurich News. Link to original article >

Πηγή: Brendel L, Bernal S, Widmaier P, Roskosch D, Arpagaus C, Bardow A, Bertsch S. High-Glide Refrigerant Blends in High-Temperature Heat Pumps: Part 1 – Coefficient of Performance, International Journal of Refrigeration, 10 May 2024, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2024.05.005

Αφήστε μια απάντηση

Κάντε κύλιση στην κορυφή