Ученые из Университета Вайкато в Новой Зеландии, Падерборнского университета и Германского аэрокосмического центра провели масштабное исследование и оценили потенциал углекислого газа в качестве хладагента для высокотемпературных тепловых насосов. Подобные установки рассматривают как альтернативу газовым и угольным котлам в таких процессах, как сушка продуктов, производство бумаги или покраска автомобилей.
В отличие от котлов, которые получают тепло за счет сжигания топлива, тепловой насос не производит тепло напрямую, а переносит его с низкого температурного уровня на высокий. Этот принцип особенно важен в контексте электрификации промышленности. При прямом электрическом нагреве один киловатт-час электроэнергии превращается примерно в один киловатт-час тепла, но тепловой насос использует электричество иначе. Он тратит его на перекачку уже имеющейся тепловой энергии. За счет этого из одного киловатт-часа электроэнергии можно получить в несколько раз больше полезного тепла. Однако для замены привычных котлов, которые нагревают воздух или теплоноситель в широком диапазоне, требуются специальные тепловые насосы, способные эффективно работать при большом температурном перепаде.
Ученые сосредоточились на уникальном свойстве CO2, который в сверхкритическом состоянии отдает тепло не при одной фиксированной температуре, как, например, вода при кипении, а постепенно остывая. Это позволяет гораздо точнее согласовать теплообмен с реальными промышленными процессами, где потоки нагреваются плавно. Проанализировав различные отрасли, ученые выделили 16 промышленных процессов, где это свойство может дать наибольший эффект. Особое внимание привлекли сушильные установки.
Во всем мире на сушку молочного порошка, растворимого кофе и крахмала ежегодно расходуют сотни петаджоулей энергии. Такие процессы идеально подходят для тепловых насосов. Им нужен горячий воздух с нагревом на 100-200 oC, а в качестве источника тепла можно использовать их же выхлопные газы.
Для оценки эффективности ученые сравнили три схемы тепловых насосов на CO2. Классическая схема с расширителем позволяет вернуть часть энергии при снижении давления, схема с разделением потока хладагента способствует лучшему согласованию температур, а в каскадной схеме два контура CO2 последовательно повышают температуру.
Моделирование показало, что универсального решения не существует. При температурах до 150 oC наилучшие показатели дает схема с расширителем, тогда как при нагреве до 200 oC и выше более эффективными оказываются варианты с разделением потока и каскадом, особенно при ограничениях по давлению. В таких режимах КПД достигает 2,6 при использовании окружающего воздуха и возрастает до 4 при подключении тепла выхлопных газов самого процесса.
С экологической точки зрения результаты выглядят еще более убедительно. Даже при работе от средней по выбросам европейской электросети замена газовых горелок на тепловые насосы на CO2позволяет добиться сокращения выбросов углекислого газа на 35%, а в отдельных случаях оно достигает 94%. В странах с низкоуглеродной энергетикой, таких как Норвегия или Новая Зеландия, уменьшение выбросов приближается к максимальному.
Ученые подсчитали, что внедрение таких технологий хотя бы в сегменте сушки молочного порошка, сыворотки, кофе и крахмала может предотвратить выбросы миллионов тонн CO2 в год.
