Høytemperatur varmepumper – et bidrag til dekarbonisering av norsk industrisektor

Medforfatter: Sverre Foslie –

Mange industribedrifter som trenger både kjøling og oppvarming, bruker i dag separate systemer for disse oppgavene. Integrerte høytemperatur varmepumper og termiske lagertanker for kombinert oppvarming og kjøling gir mye bedre energieffektivitet. Det fører til en tilsvarende reduksjon i energiforbruk og CO2-utslipp i industrien.

Resultater av en vellykket integrasjon av høytemperatur varmepumper

Verdens første meieri med et fullt ut integrert energisystem, som bruker bare naturlige kuldemedier og ikke fossilt brensel eller elektriske varmeelementer, ble satt i drift i 2018 i Bergen. Integrasjonen av høytemperatur varmepumper og termiske lagertanker gjorde det mulig å gjenvinne og utnytte spillvarme, som tilsvarer omtrent 1/3 av det totale energiforbruket. Sammenlignet med tradisjonelle meierier ble energiforbruket redusert med nesten 40 % eller i absolutte tall med mer enn 5 GWh (gigawattimer) per år, tilsvarende mer enn 250 norske husholdninger. For det aktuelle meieriet betyr dette en mulig reduksjon i CO2-utslipp på mer enn 90 % (det nøyaktige tallet avhenger av hvilken type energi som brukes – elektriske varmeelementer, naturgassbrenner eller fjernvarme). Innsparingen tilsvarer å fjerne mer enn 340 bensinbiler fra trafikken.

Hvorfor er dekarbonisering av industrielle prosesser viktig?

Dekarbonisering av industrisektoren er et av de viktigste tiltakene for å redusere den globale oppvarmingen. Mange næringer står overfor et økende energibehov, som fører til økte klimagassutslipp fordi de bruker fossilt brensel. Omtrent 2/3 av behovet er termisk energi til prosessoppvarming. I tillegg har flere industrielle prosesser et samtidig termisk varme- og kjølebehov. Vi finner mange eksempler i næringsmiddelindustrien, og på bruksområder med økende betydning, som drift av datasentre eller batteriproduksjon. Her er spillvarmen ofte i temperaturområder som ikke gjør det mulig med direkte bruk – eller behovet ved aktuelt temperaturnivå er manglende.

Hvordan høytemperatur varmepumper bidrar til dekarbonisering

Varmepumper oppgraderer varme fra lavt temperaturnivå (spillvarme) til høyt temperaturnivå (prosessvarme). Dette gjøres ved å bruke ekstra energi, som i de fleste tilfeller er elektrisitet. Varmeeffekten som kan brukes er vanligvis større enn den elektriske inngangen i et forhold på 2 til 5, som betyr at det å ta i bruk varmepumper er svært effektivt for overføring av alle varmetyper og -mengder. Forholdet mellom varmeeffekt og inngang av elektrisk energi er kjent som effektfaktor (COP) og brukes til å beskrive varmepumpens ytelse.

[blue_box]

Hvordan fungerer en varmepumpe?

Det vanligste systemet er dampkompresjonssyklusen, hvor et sirkulerende kuldemedium gjennomgår ulike tilstandsendringer i et lukket kretsløp. Med oppstart i lavtrykkssiden i fordamperen overføres varme fra kilden til kuldemediet mens væsken fordamper. Deretter løftes dampen gjennom kompressoren til et høyere trykk-/temperaturnivå. I kondensatoren overføres varme fra kuldemediet til rørene mens dampen kondenserer, blir flytende/væske. Til slutt fører strupe-/ekspansjonsventilen væsken tilbake til det lave trykk-/temperaturnivået og lukker syklusen.

[/blue_box]

Varmepumper har blitt brukt nesten utelukkende til enten kjøling eller oppvarming, overføring av varme til eller fra eksterne kilder som omgivelsesluft eller grunnvann. Det er best å bruke de to funksjonene i varmepumpen sammen, både for å oppnå høyere effektivitet og på grunn av fastsatte krav i mange industrielle prosesser. Ved å integrere høytemperatur varmepumper kan spillvarme fra kjøleprosesser oppgraderes til verdifull prosessvarme, noe som reduserer behovet for elektrisitet og andre primære drivstoffkilder. Dette både øker den generelle energieffektiviteten og reduserer avhengigheten av eksterne forhold, sammenlignet med tradisjonelle prosesser overfor omgivelsestemperatur. Følgelig er dette en av de mest relevante teknologiene for utnyttelse av spillvarme, og vil sannsynligvis etterspørres i økende grad i nær fremtid – Vil ha nye krav til spillvarme fra datasentre: Går lenger enn EU.

Metoder for integrering av høytemperatur varmepumper i industrielle prosesser

Bearbeiding av meieriprodukter krever store mengder prosesskjøling og -oppvarming. Tradisjonelle meierier bruker ofte frittstående løsninger for å dekke de ulike behovene. Kjølingen leveres av et kuldesystem som frigjør overskuddsvarme til miljøet. Nødvendig prosessvarme leveres av fossilt brensel eller elektriske varmeelementer, begge med effektivitet under 1 (sammenlignet med en COP fra varmepumper som varierer mellom 2 og 5). Ved å bruke høytemperatur varmepumper i prosessen, kan spillvarmen fra kuldesystemet oppgraderes og dekke prosessvarmebehovet. Installasjon av flere varmepumpestadier med varmetanker kan i mange tilfeller øke effektiviteten ytterligere. Dette skyldes at prosesser og konsumenter ofte befinner seg på ulike temperaturnivåer, og behovene kan derfor oppstå syklisk (i satsvis drift). Et eksempel på et integrert varmepumpesystem, hvor behov for både kjøling og oppvarming leveres av varmepumper på forskjellige temperaturnivåer, ser du i følgende figur.

En god integrasjon fører til utstrakt bruk av tilgjengelig spillvarme og reduserer dermed etterspørsel etter ekstern energi. Da det før nevnte meieriet ble gjennomgått/evaluert viste det seg at prosessen hadde en gjenvinningsgrad av spillvarme på over 95 % med en COP på over 4 for hele meierianlegget.

Hva er viktig for fremtiden?

Med sikte på å gjøre industrielle prosesser mer effektive og redusere klimagassutslippene, vil energieffektiviseringssenteret HighEFF utvikle, teste og evaluere denne og andre løsninger sammen med våre industripartnere. Resultatene fra evalueringen av det aktuelle meieriet viser at integrasjon av høytemperatur varmepumper har et stort potensial for dekarbonisering av industrien. Anskueliggjøring av mulige bruksområder og driftsdata for høytemperatur varmepumper vil bidra til å øke tilliten og anerkjennelsen hos potensielle brukere.

Referanser:
[1] https://www.sintef.no/globalassets/sintef-energi/industrial-heat-pump-whitepaper/2020-07-10-whitepaper-ihp-a4.pdf
[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431121001861?via%3Dihub