Οι αντλίες θερμότητας υψηλών θερμοκρασιών αποτελούν μια σύγχρονη αλλά όχι ώριμη τεχνολογία που μπορεί να συμβάλλει στη κάλυψη βιομηχανιών διεργασιών, περιορίζοντας παράλληλα και το περιβαλλοντικό αποτύπωμα.
Του δρ. Ευάγγελου Μπέλλου*
Η βιομηχανία αποτελεί έναν από τους μεγαλύτερους καταναλωτές ενέργειας στην Ευρώπη, καθώς σημαντικό κομμάτι της παραγωγικής διαδικασίας βασίζεται στη χρήση θερμότητας. Στην πλειοψηφία των βιομηχανικών κλάδων, όπως είναι για παράδειγμα η βιομηχανία τροφίμων, η χαρτοποιία, η χημική βιομηχανία και η παραγωγή δομικών υλικών, απαιτείται κατανάλωση θερμότητας σε θερμοκρασίες από 80°C έως και 200°C για την πραγματοποίηση διεργασιών όπως είναι η ξήρανση, η αποστείρωση, η παστερίωση, η θέρμανση νερού ή η παραγωγή ατμού.
Μέχρι σήμερα, οι ανάγκες αυτές καλύπτονται σχεδόν αποκλειστικά από λέβητες φυσικού αερίου και πετρελαίου. Ωστόσο, η αύξηση του ενεργειακού κόστους, οι στόχοι μείωσης των εκπομπών CO2 και η σταδιακή μετάβαση σε καθαρότερες μορφές ενέργειας, οδηγούν τις βιομηχανίες να αναζητούν νέες εναλλακτικές και πιο καθαρές λύσεις. Η μετάβαση αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί με μείωση ή εξάλειψη της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων και ταυτόχρονα με τον εξηλεκτρισμό των διεργασιών, ώστε να καταναλώνεται καθαρή ηλεκτρική ενέργεια που έχει παραχθεί από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (π.χ. από φωτοβολταϊκά και αιολικά πάρκα).
Μία από τις νέες τεχνολογίες σε ευρωπαϊκό επίπεδο είναι οι αντλίες θερμότητας υψηλών θερμοκρασιών, οι οποίες καταναλώνουν ηλεκτρική ισχύ και παράγουν ωφέλιμη θερμότητα για κάλυψη βιομηχανικών διεργασιών.
Αντλίες υψηλών θερμοκρασιών
Οι συμβατικές αντλίες θερμότητας που χρησιμοποιούνται σε κτιριακές εφαρμογές παράγουν θερμότητα χαμηλών θερμοκρασιών (έως 70°C) με στόχο την κάλυψη αναγκών θέρμανσης χώρου και την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Ωστόσο, οι αντλίες θερμότητας υψηλών θερμοκρασιών διαφέρουν σημαντικά σε σχέση με τις συμβατικές αντλίες, καθώς έχουν σχεδιαστεί ώστε να λειτουργούν σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες για να καλύπτουν τις βιομηχανικές απαιτήσεις.
Η γενική αρχή λειτουργίας τους είναι παρόμοια με εκείνη των συμβατικών αντλιών θερμότητας αλλά η φιλοσοφία τους διαφέρει, γιατί εκτός από ηλεκτρική ενέργεια, αξιοποιούν και ρεύματα απορριπτόμενης θερμότητας (π.χ. 60 – 100°C), ώστε να την αναβαθμίσουν με χρήση ηλεκτρισμού και τελικά να παράγουν θερμότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες (π.χ. 120 – 200°C).
Σε έναν συμβατικό σχεδιασμό, μία απορριπτόμενη πηγή θερμότητας τροφοδοτεί με θερμότητα το ψυκτικό μέσο, το οποίο θερμαίνεται. Στη συνέχεια εισέρχεται στον συμπιεστή όπου συμπιέζεται με στόχο την αύξηση της θερμοκρασίας του στην έξοδο του συμπιεστή. Το επόμενο βήμα είναι η παραλαβή της ωφέλιμης βιομηχανικής θερμότητας μέσω κατάλληλου εναλλάκτη θερμότητας και, τέλος, η μείωση της πίεσης με χρήση στραγγαλιστικής βαλβίδας στα συστήματα μηχανικής συμπίεσης ή εκτονωτή στα συστήματα με χρήση αντίστροφου κύκλου Brayton.
Σήμερα, τα εμπορικά διαθέσιμα συστήματα μπορούν να παρέχουν θερμότητα έως 120°C με μεγάλη αξιοπιστία, έως 150-160°C με προηγμένα συστήματα, και σε θερμοκρασίες έως 200°C σε πιλοτικές και εξειδικευμένες εφαρμογές. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι η έρευνα στις βιομηχανικές αντλίες θερμότητας είναι συνεχής και στοχεύει στο σχεδιασμό αποδοτικών και αξιόπιστων συστημάτων, τα οποία θα μπορούν να παράγουν θερμότητα σε όλο και υψηλότερα επίπεδα, καλύπτοντας μεγαλύτερο εύρος βιομηχανικών διεργασιών.
Απόδοση αντλιών θερμότητας
Η απόδοση των αντλιών θερμότητας υψηλών θερμοκρασιών εκφράζεται με χρήση του συντελεστή συμπεριφοράς (COP) ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος της παραγόμενης ωφέλιμης βιομηχανικής θερμότητας (Qheat) προς την καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύ από τον συμπιεστή και τα λοιπά βοηθητικά συστήματα (Pel), με την εξίσωση να διαμορφώνεται ως εξής:
Για τις τυπικές βιομηχανικές αντλίες θερμότητας, ο συντελεστής συμπεριφοράς κυμαίνεται μεταξύ 2 και 5, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Όταν η θερμοκρασία παραγωγής θερμότητας προς τη διεργασία αυξάνεται, η απόδοση μειώνεται, γιατί υπάρχει μεγαλύτερη δυσκολία στη θερμοκρασιακή ανύψωση. Αντίστοιχα, όταν η αντλία θερμότητας τροφοδοτείται με απορριπτόμενη θερμότητα υψηλότερης θερμοκρασίας, η απόδοση αυξάνεται γιατί η θερμοκρασιακή ανύψωση είναι μικρότερη.
Η εικόνα 1 παρουσιάζει τη μεταβολή της απόδοσης (COP) για διαφορετικές τιμές της θερμοκρασιακής ανύψωσής μεταξύ των ρευμάτων παραγόμενης θερμότητας και απορριπτόμενης θερμότητας. Ως απορριπτόμενη θερμότητα σε μία βιομηχανία ορίζεται κάθε πηγή θερμότητας στο εύρος 60 έως 120°C, η οποία δεν χρησιμοποιείται περαιτέρω από τη βιομηχανία.
Συνηθισμένα παραδείγματα είναι τα εξής:
– Θερμό νερό που απορρίπτεται μετά από μια παραγωγική διεργασία.
– Αέρας από συστήματα εξαερισμού.
– Καυσαέρια από φούρνους ή λέβητες.
– Ψυκτικά κυκλώματα ή συστήματα ψύξης.
Σε ένα υποθετικό σύστημα που τροφοδοτείται με απορριπτόμενη θερμότητα θερμοκρασίας 90°C και την αναβαθμίζει στους 150°C, η απόδοση είναι COP = 3, κάτι που σημαίνει ότι για κάθε 1 kW καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ισχύος παράγονται 3 kW βιομηχανικής θερμότητας.
Σε περίπτωση που η απορριπτόμενη θερμότητα είχε θερμοκρασία 70°C, η απόδοση θα μειωνόταν σε COP = 2,5, κάτι που θα σήμαινε ότι με την ίδια κατανάλωση ηλεκτρισμού 1 kW θα παράγονταν 2,5 kW ωφέλιμης θερμότητας. Το απλοϊκό αυτό παράδειγμα αναδεικνύει την αξία της αξιοποίησης των ρευμάτων απορριπτόμενης θερμότητας σε αντλίες θερμότητας υψηλών θερμοκρασιών.
Τυπική καμπύλη απόδοση αντλίας θερμότητας για διαφορετικές τιμές της θερμοκρασιακής ανύψωσής μεταξύ των ρευμάτων παραγόμενης θερμότητας και απορριπτόμενης θερμότητας
Εφαρμογές στη βιομηχανία
Οι αντλίες θερμότητας υψηλών θερμοκρασιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές βιομηχανίες και σε διαφορετικές παραγωγικές διεργασίες. Παρακάτω παρουσιάζονται ορισμένα παραδείγματα βιομηχανιών οι οποίες θα μπορούσαν να επωφεληθούν από τη χρήση αντλιών θερμότητας:
Βιομηχανία τροφίμων και ποτών: Απαιτείται θερμότητα για παστερίωση, πλύσιμο, θέρμανση νερού και ξήρανση. Παράλληλα, υπάρχουν μεγάλες ποσότητες θερμού νερού που απορρίπτονται μετά τη διαδικασία παραγωγής.
Γαλακτοβιομηχανία: Σημαντικές ποσότητες θερμότητας απαιτούνται για αποστείρωση, καθαρισμό εξοπλισμού και παραγωγή ζεστού νερού. Ταυτόχρονα, υπάρχουν πηγές χαμηλής θερμοκρασίας, όπως νερό από τα συστήματα ψύξης.
Χαρτοβιομηχανία: Απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες για τη διαδικασία ξήρανσης. Η τεχνολογία των αντλιών θερμότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάκτηση θερμού αέρα ή ατμού από τα στάδια παραγωγής και την επαναχρησιμοποίησή του.
Χημική βιομηχανία: Υπάρχουν διεργασίες με ανάγκη για θερμότητα μεταξύ 100 και 150°C.
Τεχνολογικές εξελίξεις και ψυκτικά μέσα
Η δυνατότητα παραγωγής θερμότητας σε υψηλές θερμοκρασίες εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τη δυνατότητα των συμπιεστών να λειτουργήσουν στις θερμοκρασίες αυτές. Επίσης, απαιτείται τεχνολογική πρόοδος στο κομμάτι των ψυκτικών μέσων, ώστε να καθίσταται δυνατή η παραγωγή θερμότητας σε υψηλές θερμοκρασίες.
Στις σύγχρονες βιομηχανικές αντλίες θερμότητας, τα φυσικά εργαζόμενα μέσα αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερο ενδιαφέρον, εξαιτίας της φιλικότητάς τους προς το περιβάλλον, αλλά και των υψηλών τους επιδόσεων σε ορισμένες περιπτώσεις. Τα ψυκτικά αυτά επιτρέπουν την επίτευξη υψηλότερων θερμοκρασιών, ενώ παράλληλα έχουν μικρότερη περιβαλλοντική επιβάρυνση σε σχέση με τα παραδοσιακά φθοριούχα ψυκτικά μέσα.
Μερικά από τα πιο ελπιδοφόρα εργαζόμενα μέσα είναι τα παρακάτω:
Υδρογονάνθρακες (προπάνιο – R290, βουτάνιο – R600): Αποτελούν μία ιδιαίτερα ελκυστική λύση για συστήματα μέσης και υψηλής θερμοκρασίας λόγω της καλής απόδοσης και της σχετικά απλής ενσωμάτωσής τους. Περιορισμοί δημιουργούνται σχετικά με την υψηλή τους αναφλεξιμότητα.
Διοξείδιο του άνθρακα (CO2): Χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές όπου απαιτούνται πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Η χαμηλή κρίσιμη θερμοκρασία οδηγεί σε λειτουργία με διακρίσιμους και υπερκρίσιμους κύκλους, ενώ η υψηλή κρίσιμη πίεση οδηγεί επίσης σε λειτουργία υψηλών πιέσεων.
Αμμωνία (NH3): Παρουσιάζει υψηλή ενεργειακή απόδοση και χρησιμοποιείται ευρέως σε μεγάλες βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Ωστόσο απαιτείται ιδιαίτερα προσεκτικός σχεδιασμός, ώστε να αποφευχθούν ζητήματα τοξικότητας.
Περιορισμοί και προκλήσεις
Ως νέα τεχνολογία, οι αντλίες θερμότητας υψηλών θερμοκρασιών παρουσιάζουν υψηλό κόστος αρχικής επένδυσης και απαιτούν πιο απαιτητικό σχεδιασμό για τη βέλτιστη ενσωμάτωσή τους στην υφιστάμενη βιομηχανία. Η μείωση της τιμής του ηλεκτρισμού θα οδηγήσει στη σταδιακή μείωση του χρόνου αποπληρωμής της επένδυσης, αλλά απαιτούνται και επιπλέον μέτρα ενίσχυσης του εξηλεκτρισμού μέσω κατάλληλης νομοθεσίας.
Επίσης, υπάρχουν περιορισμοί σχετικά με τη μέγιστη δυνατή θερμοκρασία λειτουργίας, οι οποίοι θα αντιμετωπιστούν σταδιακά με το σχεδιασμό πιο κατάλληλων συμπιεστών και τη χρησιμοποίηση καινοτόμων εργαζόμενων μέσων. Τέλος, υπάρχουν περιορισμοί σχετικά με τα εμπορικά διαθέσιμα προϊόντα λόγω της μικρής εμπειρίας σε αντίστοιχες εγκαταστάσεις. Αυτό το ζήτημα θα αντιμετωπιστεί σταδιακά, καθώς ολοένα και περισσότερες βιομηχανίες θα επενδύουν στις αντλίες θερμότητας.
Συμπεράσματα
Οι αντλίες θερμότητας υψηλών θερμοκρασιών αποτελούν μία από τις πιο ενδιαφέρουσες τεχνολογίες για την απανθρακοποίηση της βιομηχανίας μέσω του εξηλεκτρισμού που βασίζεται σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
Η αξιοποίηση απορριπτόμενης θερμότητας από διεργασίες αποτελεί κρίσιμη παράμετρο για τη βιωσιμότητα της επένδυσης, καθώς μπορεί να οδηγήσει σε υψηλή απόδοση του συστήματος. Ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος εξαρτάται από την απόδοση του συστήματος, αλλά και από το ενεργειακό μείγμα, το οποίο επηρεάζει άμεσα το βαθμό καθαρότητας του καταναλισκόμενου ηλεκτρισμού.
Σήμερα, οι εφαρμογές έως 120°C θεωρούνται πλέον ώριμες και εφαρμόζονται ήδη σε πολλούς βιομηχανικούς κλάδους. Παράλληλα, η ανάπτυξη νέων ψυκτικών μέσων και συμπιεστών οδηγεί σε συστήματα που μπορούν να φτάσουν ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες: έως 150°C στο άμεσο μέλλον και έως 200°C μέσα στην επόμενη πενταετία.
*Ο δρ. Ευάγγελος Μπέλλος είναι επίκουρος καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής.
