Højtemperaturvarmepumper
Hvad begrænser, hvor langt en varmepumpe kan løfte spildvarme?
Højtemperaturvarmepumper kan løfte industriel spildvarme til procesvarme og dermed spille en vigtig rolle i elektrificeringen af industrien. Men den højeste mulige temperatur er sjældent det mest interessante mål.
Det afgørende er, hvor stort et temperaturløft varmepumpen skal levere – og om processen faktisk har brug for den temperatur, den forsynes med i dag. Derfor handler højtemperaturvarmepumper mindst lige så meget om procesintegration som om selve varmepumpen.
Det er temperaturløftet, der koster
En varmepumpe flytter varme fra et lavere til et højere temperaturniveau ved hjælp af tilført arbejde, typisk elektricitet til en kompressor.
Hvis en virksomhed har spildvarme ved 70 °C og skal levere procesvarme ved 100 °C, er opgaven fundamentalt lettere, end hvis den samme varmekilde skal løftes til 160 °C.
Den termodynamiske sammenhæng kan illustreres med den idealiserede Carnot-COP:
COP = Tvarm / (Tvarm − Tkold)
hvor temperaturerne angives i kelvin.
Carnot-COP'en er en teoretisk grænse, ikke en praktisk virkningsgrad. Men den viser den centrale pointe: Når temperaturforskellen vokser, falder det maksimalt mulige effektivitetspotentiale.
I praksis er varmepumpens interne temperaturløft desuden ofte større end forskellen mellem processtrømmenes temperaturer. For at overføre varme kræves der en temperaturforskel mellem kølemidlet og processtrømmene på både den kolde og den varme side.
Derfor har varmevekslerdesign og temperaturtilpasning direkte betydning for den samlede effektivitet.
150 °C fortæller ikke nok
En varmepumpe, der kan levere 150 °C, lyder umiddelbart mere avanceret end en, der leverer 120 °C. Men leveringstemperaturen alene siger meget lidt om ydelsen.
150 °C fra spildvarme ved 100 °C er en helt anden termodynamisk opgave end 150 °C fra en varmekilde ved 30 °C.
Det samme gælder COP. En COP-værdi giver kun mening, hvis man samtidig kender temperaturerne på kilde- og aftagersiden, temperaturprofilerne og den valgte systemgrænse.
Derfor er spørgsmålet “hvor varmt kan den gå?” sjældent det bedste udgangspunkt for et industrielt projekt.
Høj temperatur stiller krav til kompressor og kølemiddel
Et større temperaturløft betyder typisk mere kompressorarbejde og vanskeligere driftsbetingelser. Afhængigt af cyklus og kølemiddel kan blandt andet kompressionsforhold og afgangstemperatur stige, hvilket øger belastningen på kompressoren.
Ved store temperaturløft kan flertrinskompression eller kaskadeløsninger derfor være relevante.
Samtidig er kølemidlets egenskaber med til at sætte arbejdsområdet. Kritisk temperatur, trykniveau, termisk stabilitet og sikkerhed får større betydning, når leveringstemperaturen stiger.
Højtemperaturvarmepumpen er derfor ikke blot en almindelig varmepumpe, der er dimensioneret større. Valget af cyklus, kompressor og kølemiddel skal passe til den konkrete temperaturprofil og proces.
4 forhold, der afgør potentialet
Temperaturløft
Forskellen mellem varmepumpens kolde og varme temperaturniveau. Mindre løft giver som udgangspunkt bedre termodynamiske betingelser.
COP
Forholdet mellem leveret varme og tilført arbejde. Et COP-tal giver kun mening sammen med de temperaturforhold og den systemgrænse, det er bestemt under.
Kompressionsforhold
Forholdet mellem kompressorens afgangs- og sugetryk. Store kompressionsforhold øger kravene til kompressor og cyklusdesign.
Pinch
Den mindste temperaturforskel mellem varme og kolde strømme. Temperaturtilpasningen påvirker, hvor stort et temperaturløft varmepumpen skal levere.
Den vigtigste temperatur er den, processen faktisk kræver
Et nærliggende spørgsmål er: Hvilken varmepumpe kan levere den temperatur, vi bruger i dag? Men det kan være et bedre udgangspunkt at spørge: Hvilken temperatur kræver processen faktisk?
En proces kan eksempelvis være forsynet med damp ved en højere temperatur, end selve produktet eller procesmediet reelt behøver.
Hvis procesvarmen kan leveres ved 110 °C i stedet for 140 °C, kan det ændre både COP, komponentvalg og økonomi betydeligt.
Det samme gælder på kildesiden. Kan en varmestrøm ved 70 °C bruges i stedet for en ved 30 °C, reduceres temperaturløftet markant.
Derfor bør højtemperaturvarmepumper ses som en del af den samlede energi- og procesintegration.
Direkte varmegenvinding bør samtidig undersøges, hvor den er teknisk mulig. Hvis varme kan overføres direkte fra én proces til en anden på det nødvendige temperaturniveau, er der ingen grund til først at bruge kompressorarbejde på at løfte den.
Når de oplagte energibesparelser er gennemført, ligger næste potentiale derfor ofte i netop samspillet mellem processer, varmebehov og energiforsyning – ikke i optimeringen af én komponent.
Den bedste varmepumpe er ikke nødvendigvis den varmeste
Højtemperaturvarmepumper gør det muligt at elektrificere industrielle varmebehov, som tidligere har været vanskelige at nå uden forbrænding.
Men en høj maksimal leveringstemperatur er ikke i sig selv et mål for en god løsning. Potentialet afhænger af, hvor godt varmepumpen kan integreres med den konkrete proces, og hvor lille det nødvendige temperaturløft kan holdes.
I praksis betyder det, at arbejdet bør begynde med proceskrav, temperaturprofiler og tilgængelige varmekilder. Først derefter giver det mening at vælge varmepumpeteknologi.
Jo bedre de varme og kolde strømme passer sammen, desto bedre er mulighederne for en høj systemeffektivitet og en robust business case.
Læs mere:
Kontakt
Få hjælp nu
Find relevante, kvalitetssikrede kurser og efteruddannelse.