Energieffektivitet med CO2 i stormarknader

Intresset för koldioxid, eller CO2, som köldmedium i livsmedelsbutiker har aldrig varit större än det är idag, men det har förekommit en hel del diskussioner om energieffektiviteten i dessa system. Energidiskussionen är fokuserad på två faktorer: klimategenskaper och ekonomiskt berättigande.

— den 12 maj 2016 Efter James Knudsen; Regional Segment Manager, Food Retail - Danfoss

Klimategenskaper över livscykeln (LCCP)

Klimategenskaper över livscykeln, eller LCCP, är en standardmetod för att jämföra teknik med avseende på dess klimatpåverkan uppmätt som ungefärlig motsvarande vikt utsläpp av CO2. Traditionella HFC-kylsystem har två betydande komponenter i LCCP: det direkta och indirekta bidraget. Det direkta bidraget är en följd av utsläpp av köldmedium i atmosfären och baseras på köldmediets globala uppvärmningspotential, eller GWP (för LCCP baseras GWP på köldmediets inverkan på klimatförändringen jämfört med CO2). Köldmedium ska aldrig släppas ut avsiktligt (det är för närvarande förbjudet i de flesta jurisdiktioner), men det sker rutinmässigt vid driften av kylsystem i livsmedelshandeln, främst genom läckage. Detta läckage kan minimeras, men användningen av köldmedium med låg global uppvärmningspotential såsom CO2 kan göra denna effekt försumbar (CO2 har ett GWP-värde på 1, jämfört med ungefär 4 000 för ett köldmedium som R404A). Det är viktigt att notera angående läckage att det finns förslag på regler och förordningar (särskilt i Kalifornien) som kan addera ytterligare ekonomiska påföljder till de miljöböter som är associerade med läckage av köldmedier.

Det indirekta bidraget beror på effekten av den energi som används vid driften av kylutrustningen. Ju mindre energi som behövs för att använda utrustningen, desto mindre är dess klimatpåverkan. Eftersom båda dessa komponenter i ett traditionellt HFC-system – direkt och indirekt – är av ungefär samma storleksordning, kan även ett relativt ineffektivt system med lågt GWP-värde ge klimatfördelar.
Ekonomiskt berättigande är kanske ännu viktigare för en bred omställning till CO2-system, eftersom CO2-system är betydligt dyrare än traditionella kylsystem i Nordamerika. Detta beror på att CO2-system drivs med högt tryck (vilket fördyrar komponenterna) och är mer komplicerade än traditionella HFC-system (vilket gör att ytterligare utrustning behövs, t.ex. en bypassledning med en ventil, en transkritisk ventil för högt tryck vid gaskylarens utlopp och ytterligare regulatorer). Dessutom är inköpsvolymen för CO2-system ännu inte tillräckligt stor i Nordamerika för att få ned komponent- och installationskostnaderna. För att dessa system ska vara ekonomiskt berättigade måste den initiala kapitalkostnaden kompenseras med fortlöpande besparingar i driftskostnaderna.

Det finns givetvis andra ekonomiska aspekter med CO2-system, såsom långsiktiga regelverk och social påverkan, men dessa är mycket svårare att kvantifiera. Det är mycket lättare om vi använder en mer förenklad ekonomisk modell som endast beaktar energieffektiviteten för att motivera den extra kapitalkostnaden.

På grund av sina fysiska egenskaper som köldmedium har CO2 vissa inneboende utmaningar jämfört med HFC-köldmedier i fråga om energi. Dessa utmaningar härrör från det höga arbetstrycket (över 69 bar jämfört med ungefär 14 bar för R22) och den relativa prestandan i värmeavgivnings- och expansionsprocessen. Dessa nackdelar kan verka betydande – så mycket som en försämring på 20 % – men de kan reduceras genom systemets utformning.

Å andra sidan finns det egenskaper hos CO2 som förbättrar systemets effektivitet i livsmedelsbutiker, t.ex. en utmärkt volymetrisk verkningsgrad (mer än 6 gånger så stor kylningseffekt per volymenhet än R22), lågt kompressionsförhållande (förhållandet mellan inlopps- och utloppstrycket vid kompressorn) och låg viskositet (vilket gör det lättare att pumpa). Dessutom har ny teknik utvecklats som utnyttjar de unika egenskaperna hos CO2 för att förbättra effektiviteten.

 

Något som gör diskussionen mer komplicerad är att den teknik som vanligtvis används i CO2-system också kan användas på traditionella HFC-system med gott resultat. Dessa komponenter kan göra att den initiala kostnaden för ett CO2-system ser ännu högre ut jämfört med ett grundläggande HFC-system, men de kan beaktas separat och vara ekonomiskt motiverade i alla system. Många detaljhandlare har insett att det kan vara väl värt kostnaden att implementera avancerad energisparande teknik på sina HFC-system.

Det finns tre viktiga tekniska lösningar i denna kategori. Den första är elektroniska expansionsventiler med kylmöbelstyrning, vilka tillåter att sugtrycket kan optimeras för att minimera belastningen på kompressorerna när förutsättningarna förändras. Den andra är användningen av varvtalsregulatorer som mer exakt anpassar kompressor- och kondensatorkapaciteten till förändringar i belastningen. Den tredje är att återvinna spillvärme från kylningscykeln.

Särskilt i HFC-system används värmeåtervinningen främst för att komplettera anläggningens varmvattenbehov på grund av spillvärmens låga kvalitet (dvs. låga temperatur). I CO2-system är spillvärmens temperatur mycket högre, vilket gör att den kan användas för varmvatten, komfortvärme, återuppvärmning för avfuktning eller regenerering av torkmedel osv.

 

CO2-specifik teknik tar hänsyn till systemets utformning. I boostersystem är kompressorledningarna ordnade så att kompressorn för låg temperatur ökar sugtrycket för kompressorn för medelhög temperatur, vilket sparar arbete och energi.
Parallellkompression använder en del av kapaciteten från kompressorn för medelhög temperatur för att återvinna och komprimera, vid ett lägre kompressionsförhållande, gasen som bildas när den komprimerade ångan från gaskylaren expanderar så att den kan kondensera till vätska. En stor del av gasen som bildas i köldmediebehållaren kan anses vara förlorad kapacitet för systemet, men genom att återföra den med en minimal mängd arbete kan systemets effektivitet höjas med så mycket som 20 % vid transkritisk drift.

Den senaste utvecklingen är en anordning som kallas ejektor. En ejektor kan använda komprimerad högtrycksånga från gaskylaren och utnyttja den energi som förloras under expansionen för att öka trycket i gasen som bildas, vilket gör att den kan föras in i sugsidan på parallellkompressorerna, vilket reducerar arbetet som krävs för att komprimera gasen. Denna teknik tacklar på ett effektivt sätt en av de mest ineffektiva aspekterna med CO2-kylning och kan övervinna den inneboende nackdelen med transkritiska CO2-system i varmt klimat.

 

Vi sammanfattar allt med representativa siffror för tillämpningar för varmt klimat (följande är uppskattningar för ett helår):

  Transkritisk CO2HFC-system
Grundläggande effektivitet för köldmediet-20%Baslinje
Electroniska expanisionsventiler med kylmöbelstyrning+10%+10%
Varvtalsregulator på kompressor och kondensator+5%+5%
Värmeåtervinning+10%+5%
Teknik för CO2 -boostersystem+5% 
Parallelkompression+10% 
Ejektorteknik (gas och vätska)+10% 
Total potential jämfört med grudläggande HFC-system+30%[+20%]
Total potential jämfört med avancerade HFC-system+10% 

Det bör noteras att även om energiförbättringarna i kallare klimat kan vara lägre, ökar den totala verkningsgraden för transkritiska CO2-system vid lägre omgivningstemperaturer (dvs. mindre driftstid i transkritiskt läge).

I denna sammanfattning ingår inte användningen av adiabatiska eller evaporativa kondensatorer/gaskylare, vilket kan ge ytterligare 5 % bättre verkningsgrad för båda systemen. I själva verket kan en transkritisk CO2-gaskylare konfigureras till att använda upp till 80 % mindre vatten än en HFC-förångare om man ägnar ytterligare uppmärksamhet åt systemets utformning. Prestandan för dessa anordningar varierar betydligt beroende på det lokala klimatet och är specifik för systemet. Det är hur som helst en ny intressant teknik att överväga.

Den här analysen är långt ifrån fullständig för alla tillämpningar, men syftet med denna artikel var att sammanfatta situationen och tillgänglig teknik för att ge en tydligare bild av vad som är möjligt idag. Transkritisk CO2-teknik är färdig för användning för nästan alla typer av klimat och kan ge avsevärda miljömässiga och ekonomiska fördelar.

 

Sociala medier

Danfoss Cool är vår officiella sociala mediekanal. Var social och delta i samtalet.

Coolselector®2 - Intelligent urvals- och analysverktyg

Coolselector®2 erbjuder marknadsledande enkelhet och professionell lätthet i systemkonstruktionsprocessen för alla kommersiella och industriella kylprojekt. Ett unikt verktyg som gör det komplicerade enkelt. Coolselector®2 kan användas på språng eftersom det fungerar både offline och online.

Vill du veta mer?

Tycker du att våra produkter verkar intressanta? Vill du veta mer? Prata med oss! Kontakta oss via e-post så kommer någon av våra Danfoss-experter kontakta dig så snart som möjligt.

 

Socialisera Delta

Vill du diskutera med oss?

Lär känna oss och delta i samtalet