Efektywność energetyczna supermarketów a CO₂

czwartek, 12 maja 2016

Zainteresowanie dwutlenkiem węgla lub CO₂, jako czynnikiem chłodniczym w handlu detalicznym żywnością nigdy dotąd nie było tak wielkie, dlatego też toczy się wiele dyskusji na temat efektywności energetycznej tego typu systemów. Dyskusja na temat energii skupia się wokół dwóch kwestii: zmian klimatycznych oraz zasadności ekonomicznej.

Wskaźnik oddziaływania na klimat w obrębie cyklu życia (LCCP)

Wskaźnik oddziaływania na klimat w obrębie cyklu życia lub inaczej LCCP jest standardową metodą porównywania rozwiązań technicznych pod względem ich wpływu na zmiany klimatu, mierzonego przybliżonym ekwiwalentem emisji CO₂. Tradycyjne systemy chłodnicze HFC cechują dwa istotne elementy składowe LCCP: wkład bezpośredni i pośredni. Bezpośredni wpływ na efekt cieplarniany jest wynikiem uwalniania czynnika chłodniczego do atmosfery i mierzy się go w oparciu o potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP (podobnie jak w przypadku LCCP, GWP wyznacza się względem CO₂). Uwalnianie czynnika chłodniczego nigdy nie powinno być działaniem zamierzonym (obecnie jest ono niedozwolone w przypadku większości jurysdykcji), niemniej jednak zdarza się ono niekiedy w obrębie całego okresu eksploatacji systemów chłodniczych w handlu detalicznym żywnością, głównie w wyniku wycieków. Chociaż tego rodzaju wycieki można minimalizować, to zastosowanie czynnika chłodniczego o niskim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego, takiego jak CO₂, może sprawić, że efekt ten będzie naprawdę znikomy (GWP dla CO₂ wynosi 1, w porównaniu z ~4 000 dla czynnika chłodniczego takiego jak R404A). Należy zauważyć, że w odniesieniu do wycieków zaproponowane zostały zasady oraz przepisy (w szczególności dotyczy to Kalifornii), które mogą skutkować nakładaniem kar finansowych związanych z wyciekami czynników chłodniczych i ich wpływem na środowisko naturalne.

Pośredni wpływ na efekt cieplarniany wynika z produkcji energii zużywanej na eksploatację urządzeń chłodniczych. Im mniej energii potrzeba do zasilania urządzeń, tym mniejszy będzie ich pośredni udział w oddziaływaniu na klimat. Ponieważ oba te składniki wpływu na efekt cieplarniany posiadają dla tradycyjnego układu z czynnikiem HFC w przybliżeniu tę samą wartość, nawet stosunkowo mało efektywne urządzenia z czynnikiem o niskim współczynniku GWP mogą tu przynosić korzyści.

Zasadność ekonomiczna — Efektywność energetyczna

Zasadność ekonomiczna może być nawet ważniejsza w przypadku szeroko zakrojonych działań z zakresu adaptacji systemów CO₂, gdyż instalacje te, szczególnie w Ameryce Północnej są znacznie droższe niż tradycyjne układy chłodnicze. Wynika to z faktu, że instalacje z CO₂ pracują pod wysokim ciśnieniem (co wiąże się z większymi kosztami związanymi z podzespołami), a do tego są one bardziej złożone niż w przypadku tradycyjnych układów z HFC (niezbędne jest wyposażenie dodatkowe, takiej jak rurociąg obejściowy z zaworem, wysokociśnieniowy zawór nadkrytyczny na wylocie chłodnicy gazu oraz dodatkowe elementy sterujące), a układy z CO₂ w Ameryce Północnej nie mają jeszcze takiej popularności, która pozwalałaby obniżyć koszty podzespołów i instalacji. Aby zastosowanie tych systemów stało się zasadne z ekonomicznego punktu widzenia, muszą one skompensować wspomniane początkowe nakłady kapitałowe poprzez zagwarantowanie ciągłej redukcji kosztów ruchowych.

Oczywistym jest, że istnieją także inne względy finansowe związane z systemami CO₂, takie jak chociażby długofalowe skutki regulacyjne i społeczne, które z przyczyn oczywistych są znacznie trudniejsze do określenia, szczególnie ilościowego. Na szczęście znaczącym ułatwieniem będzie tutaj zastosowanie bardziej uproszczonego modelu finansowego, uwzględniającego jedynie efektywność energetyczną w celu uzasadnienia dodatkowych nakładów kapitałowych.

Ze względu na jego właściwości fizyczne, z CO₂ jako czynnikiem chłodniczym wiążą się określone wyzwania dotyczące zużycia energii, szczególnie jeśli porównamy go z czynnikami chłodniczymi HFC. Wyzwania te związane są z wysokim ciśnieniem roboczym (ponad 1 000 psi w porównaniu z około 200 psi w przypadku R22) oraz względną wydajnością procesu oddawania ciepła oraz dławienia. Chociaż tego typu minusy wydają się być znaczące, przynosząc straty nawet rzędu 20%, można je zmniejszyć przez odpowiednie zaprojektowanie układu chłodniczego.

Z drugiej strony CO₂ posiada właściwości, które sprzyjają efektywności instalacji wykorzystywanych w handlu detalicznym artykułami spożywczymi, w tym znakomitą objętościową wydajność chłodniczą (ponad 6-krotnie lepszą niż w przypadku R22), niski stopień sprężania (stosunek ciśnienia tłoczenia i ssania sprężarki) oraz niską lepkość (która ułatwia przepompowywanie). Dodatkowo opracowano również zupełnie nowe rozwiązania techniczne wykorzystujące unikalne właściwości CO₂ do poprawy efektywności.

Oszczędność energii — systemy HFC i CO₂

Dyskusję tę komplikują rozwiązania zwykle stosowane w instalacjach z CO₂, które mogą być również z dużym powodzeniem wykorzystane w tradycyjnych układach z czynnikami HFC. Mogą one sprawić, że początkowy koszt instalacji na CO₂ może wydawać się jeszcze wyższy, szczególnie w porównaniu z podstawowym układem z HFC, niemniej jednak można je rozważać również oddzielnie, co ułatwi uzyskanie zasadności ekonomicznej w obrębie każdego systemu. Wielu sprzedawców detalicznych uznało, iż wdrożenie zaawansowanych energooszczędnych rozwiązań technicznych w ich układach z HFC było zdecydowanie warte poczynionych inwestycji.

W przypadku tej kategorii możemy wyróżnić trzy podstawowe rozwiązania. Po pierwsze - elektroniczne zawory rozprężne podłączone do sterowników urządzeń chłodniczych, które umożliwiają optymalizację ciśnienia ssania w celu zminimalizowania obciążenia sprężarek wraz ze zmianą warunków. Po drugie - urządzenia do bezstopniowej regulacji obrotów, które umożliwiają lepsze dopasowanie wydajności sprężarki i skraplacza do zmian obciążenia. Natomiast trzecią grupą rozwiązań jest odzysk ciepła odpadowego z obiegu chłodniczego.

Odzyskiwanie ciepła, szczególnie w systemach HFC, jest wykorzystywane przede wszystkim jako uzupełnienie dla urządzeń podgrzewających ciepłą wodę, ze względu na niską jakość (tj. niską temperaturę) ciepła odpadowego. W układach z CO₂ temperatura nośnika ciepła odpadowego jest znacznie wyższa, co pozwala na wykorzystanie go do podgrzewania ciepłej wody, ogrzewania pomieszczeń, ogrzewania osuszonego powietrza, regeneracji desykantu, itp.

Rozwiązania techniczne dla CO₂

Rozwiązania techniczne dla CO₂ uwzględniają konfigurację całego układu. W układach typu booster sprężarki przyłączone do parowników o niskiej temperaturze parowania wspomagają na ssaniu sprężarki stopnia średniotemperaturowego, zapewniając tym samym oszczędność energii. Układy ze sprężaniem równoległym wykorzystują część wydajności sprężarek średniotemperaturowych do odsysania i ponownego sprężania przy niższym sprężu pary pozostającej po dławieniu za chłodnicą wysokociśnieniowego gazu w celu uzyskania cieczy. Występowanie w zbiorniku znacznej ilości pary po dławieniu można uważać za stratę wydajności układu, aczkolwiek odprowadzanie jej przy minimalnym nakładzie pracy może zwiększyć efektywność układu nawet o 20% podczas pracy w trybie nadkrytycznym.

Najnowszym z wdrożonych rozwiązań jest urządzenie zwane strumienicą (eżektorem). Strumienica jest w stanie wykorzystać gaz pod wysokim ciśnieniem pochodzący z chłodnicy gazu i spożytkować energię traconą podczas dławienia w celu zwiększenia ciśnienia gazu dławienia, co pozwala na doprowadzenie go na ssanie sprężarek równoległych, zmniejszając tym samym ilość pracy potrzebnej do sprężania. Rozwiązanie to jest bardzo skuteczne w przezwyciężaniu jednego z najbardziej nieefektywnych aspektów chłodzenia z wykorzystaniem CO₂ i może pomóc w zniwelowaniu typowej wady nadkrytycznych układów CO₂ w ciepłych strefach klimatycznych.

Podsumowanie kwestii energochłonności

Podsumujmy więc reprezentatywnymi liczbami wszystko to, co zostało dotąd powiedziane na temat zastosowań w obrębie ciepłych stref klimatycznych 
(uwaga: poniższe dane są danymi szacunkowymi dla całego roku):

 

  Nadkrytyczne układy CO₂ Układy HFC
Poziom odniesienia dla efektywności czynników chłodniczych -20% Sytuacja wyjściowa
Elektroniczne zawory rozprężne ze sterownikami urządzeń chłodniczych +10% +10%
Sprężarki i skraplacze z napędami o zmiennej prędkości +5% +5%
Odzysk ciepła +10% +5%
Układy z CO₂ typu booster +5%  
Sprężanie równoległe +10%  
Strumienice (gazowe i cieczowe) +10%  
Całkowite potencjalne korzyści w porównaniu z podstawowym układem HFC +30% [+20%]
Całkowite potencjalne korzyści w porównaniu z zaawansowanym układem HFC +10%  


Należy zauważyć, że o ile poprawa efektywności energetycznej w chłodniejszym klimacie może być mniej wyraźna, o tyle całkowita efektywność nadkrytycznych układów CO₂ wzrasta wraz z niższą temperaturą otoczenia (gdyż krótszy jest czas pracy w trybie nadkrytycznym).

W niniejszym podsumowaniu nie uwzględniono wykorzystania skraplaczy/chłodnic gazu adiabatycznych lub wyparnych, które są w stanie zapewnić kolejny wzrost efektywności obu układów o 5%. W rzeczywistości, przy zwróceniu dodatkowej uwagi na budowę układu, nadkrytyczną chłodnicę gazowego CO₂ można skonfigurować w taki sposób, aby zużywała znacznie mniej wody niż skraplacz HFC, nawet o 80%. Wydajność tych urządzeń różni się znacząco w zależności od klimatu panującego w danej lokalizacji i jest charakterystyczna dla danego układu. W związku z powyższym, jest to kolejne interesujące rozwiązanie techniczne, które warto wziąć pod uwagę.

Chociaż niniejsza analiza jest daleka od precyzyjnych wyliczeń, celem tego artykułu było podsumowanie bieżącej sytuacji oraz dostępnych rozwiązań technicznych, aby przedstawić jaśniejszy obraz aktualnych możliwości. Nadkrytyczne układy z CO₂ osiągnęły gotowość do wdrożenia w niemal każdej strefie klimatycznej oraz mogą przynieść znaczące korzyści środowiskowe i finansowe.