CO2-energieffektivitet i supermarkeder

Interesse for at anvende kuldioxid (eller CO2) som kølemiddel i applikationer indenfor fødevarebranchen har aldrig været mere intens, end den er i dag, og det betyder, at der har været en del diskussion med hensyn til energieffektivitet i systemerne. Energi-diskussionen er især fokuseret på to faktorer: klimaændringer og økonomisk begrundelse.

— 10. juni 2016 Af James Knudsen; Regional Segment Manager, Food Retail - Danfoss

Life Cycle Climate Performance (LCCP)

Life Cycle Climate Performance (eller LCCP) er en standardmetode til sammenligning af teknologier med hensyn til deres virkning på klimaændringer som målt ved det omtrentlige ækvivalente udslip af pund af CO2. Traditionelle HFC-kølesystemer har to stærke komponenter til LCCP: det direkte og indirekte bidrag. Det direkte bidrag er en følge af udslip af kølemiddel til atmosfæren og er baseret på kølemidlets globale opvarmningspotentiale (GWP) (ligesom for LCCP er GWP baseret på kølemidlets effekt på klimaændring sammenlignet med CO2). Udslippet af kølemiddel må aldrig være bevidst (det er forbudt i de fleste jurisdiktioner), men det sker rutinemæssigt indenfor fødevarebranchen i kølesystemernes levetid, primært gennem utætheder. Mens disse utætheder kan minimeres, kan anvendelse af et kølemiddel med et lavt globalt opvarmningspotentiale såsom CO2, gøre denne effekt ubetydelig (CO2 har en GWP-værdi på 1 i forhold til ~4000 for et kølemiddel som f.eks. R404A). Det er vigtigt at bemærke, at der i forbindelse med utætheder er regler og foreslåede forordninger, der kan føje økonomiske sanktioner til de miljømæssige sanktioner forbundet med lækket kølemiddel.

Den indirekte komponent skyldes effekten af den energi, der anvendes i driften af køleudstyr. Desto mindre energi, der skal bruges til at betjene udstyret, desto mindre er miljøpåvirkningen. Da begge disse komponenter i et traditionelt HFC-anlæg, både direkte og indirekte, er af nogenlunde samme størrelsesorden, kan selv relativt ineffektive, lave GWP-systemer stadig give miljømæssige fordele.

Økonomisk begrundelse er måske endnu vigtigere for den brede anvendelse af CO2-systemer, eftersom CO2-systemer i Nordamerika er væsentligt dyrere end traditionelle kølesystemer. Dette skyldes, at CO2-systemer kører ved højt tryk (hvilket tilføjer omkostninger til komponenter), de er mere komplicerede end traditionelle HFC-systemer (og kræver yderligere udstyr, som f.eks. en bypass-rørføring med en ventil, en transkritisk højtryksventil ved gaskølerens udgang og flere regulatorer) og CO2-systemer har endnu ikke tilstrækkelig indkøbsvolumen i Nordamerika til at reducere komponent- og installationsomkostninger. For at være økonomisk rentable bliver disse systemer nødt til at overvinde denne indledende investeringskapital ved at levere reducerede driftsomkostninger.

Der er naturligvis andre økonomiske betragtninger med hensyn til CO2-systemer, som f.eks. langsigtede lovgivningsmæssige og sociale påvirkninger, men disse er meget sværere at kvantificere. Det er meget lettere, hvis vi bruger en mere forenklet økonomisk model, som kun bruger energieffektivitet til at begrunde yderligere kapitalinvestering.

På grund af dets fysiske egenskaber som kølemiddel har CO2 nogle iboende udfordringer sammenlignet med HFC-kølemidler med hensyn til energi. Disse udfordringer skyldes det høje arbejdstryk (over 1000 psi sammenlignet med ca. 200 psi for R22) og den relative ydelse gennem varmeafvisning og ekspansion. Selvom disse ulemper synes væsentlige, med et fradrag på op til 20%, kan de afbødes gennem systemets design.

Der er til gengæld egenskaber i CO2, der øger systemets effektivitet i dagligvarebutikker, herunder fremragende volumetrisk virkningsgrad (mere end 6 gange større kølevirkning pr. volumen end R22), lavt kompressionsforhold (forholdet mellem indgangs- og afgangstryk på kompressoren) og lav viskositet (som gør det lettere at pumpe). Endvidere er der udviklet ny teknologi, som drager fordel af de unikke egenskaber i CO2 og forbedrer effektiviteten.

 

Denne diskussion kompliceres af teknologier, der typisk anvendes i CO2-systemer, som også med fordel kan anvendes i traditionelle HFC-systemer. Disse faktorer kan bevirke, at startomkostningerne ved et CO2-system virker endnu større sammenlignet med et grundlæggende HFC-anlæg, men kan betragtes særskilt og være økonomisk berettiget i ethvert system. Mange detailhandlere kræver, at implementering af avanceret energibesparende teknologi på deres HFC-systemer skal være pengene værd.

Der findes tre vigtige teknologier inden for denne kategori. Den første er elektroniske ekspansionsventiler med kølemøbelregulatorer, som giver mulighed for at optimere sugetrykket, så belastningen på kompressorer minimeres, når forholdene ændrer sig. Den anden er brugen af drev med variabel hastighed for at afpasse kompressor- og kondensatorkapacitet i højere grad efter belastningsændringer. Den tredje er varmegenvinding ved at bruge spildvarme til kølekredsløbet.

Varmegenvinding, især i HFC-systemer, anvendes primært til at supplere facilitetens varmtvandskrav på grund af spildvarmens lave kvalitet (dvs. lav temperatur). I CO2-systemer er spildvarmens temperatur langt højere, så den kan bruges til varmt vand, opvarmning, genopvarmning eller regenerering af tørremiddel osv.

 

CO2-specifikke teknologier tager hensyn til systemets design. Booster-anlæg anvender kompressorrør for at gøre det muligt for kompressoren for lav temperatur at øge sugetrykket for kompressorer for mediumtemperatur, hvilket sparer arbejde og energi.
Parallel kompression anvender en del af mediumtemperaturens kompressorkapacitet til at restituere og komprimere ved et lavere kompressionsforhold, hvilket danner flash-gas, når den komprimerede damp, der forlader gaskøleren, udvides og kondenseres til væske. En stor del af flash-gassen i receiveren kan betragtes som tabt kapacitet i systemet, selv om det let kan genvindes og øge systemets effektivitet med op til 20% under transkritisk drift.

Den seneste udvikling er en enhed kaldet for en ejektor. En ejektor kan bruge komprimeret damp ved højt tryk fra gaskøleren og udnytte den energi, der går tabt ved ekspansion for at øge flash-gassens tryk, så det føres ind i sugesiden af de parallelle kompressorer, hvilket reducerer behovet for at komprimere gas. Denne teknologi er meget effektiv i behandlingen af et af de mest ineffektive aspekter af CO2-køling og kan overvinde den iboende ulempe af CO2 transkritiske systemer i et varmt miljø.

 

Lad os opsummere det hele med repræsentative tal for applikationer i varme miljøer (Bemærk: Følgende er vurderinger for hele året):

  Transkritisk CO2HFC-systemer
 Grundlæggende kølemiddeleffektivitet-20%Basisgrundlag
 Elektroniske ekspansionsventiler med kølemøbelregulatorer+10%+10%
 Drev med variabel hastighed på kompressorer og kondensatorer+5%+5%
 Varmegenvinding+10%+5%
 CO2 booster system-teknologi+5% 
 Parallel kompression+10% 
 Ejektor teknologi (gas and væske)+10% 
 Samlet mulighed kontra grundlæggende HFC-system+30%[+20%]
 Samlet mulighed kontra avanceret HFC-system+10% 

Det skal bemærkes, at mens de energimæssige forbedringer i kolde miljøer kan være lavere, øges den overordnede effektivitet af transkritiske CO2-systemer ved køligere omgivelsestemperaturer (dvs. kortere driftstid i transkritisk tilstand).

Denne opsummering inkluderer ikke anvendelsen af adiabatiske eller fordampningskondensatorer/gaskølere, som kan øge effektiviteten yderligere 5% i begge systemer. Hvis der rettes særlig opmærksomhed på systemdesign, kan en transkritisk CO2-gaskøler konfigureres til at bruge betydeligt mindre vand end en HFC-fordamper; op til 80% mindre. Ydeevnen af disse anordninger varierer betydeligt afhængigt af det lokale klima og er specifikke for deres system. Det være sagt, er det endnu en interessant teknologi at overveje.

Selvom denne analyse er langt fra uddybende for alle applikationer, er formålet med artiklen her at opsummere forholdene og de teknologier, der er til rådighed, for at få et bedre overblik over, hvad der er muligt i dag. Den transkritiske CO2-teknologi er tydeligvis klar til at blive anvendt i næsten ethvert klima og kan give væsentlige miljømæssige og økonomiske fordele.

 

Sociale medier

Danfoss Cool er vores officielle kanal på de sociale medier. Bliv social, og deltag i vores samtale.

Danfoss eNewsletter

Modtag nyheder og artikler om den seneste udvikling af Danfoss' produkter og løsninger direkte i din e-mailindbakke.

Vil du vide mere?

Er du blevet interesseret i vores produkter? Vil du gerne vide mere? Tag en snak med os! Send os en e-mail, og så vender en af vores Danfoss-eksperter tilbage til dig hurtigst muligt.

 

Vær social Deltag aktivt

Vil du lære os at kende?

Lær os at kende, og deltag i samtalen