Поиск товараВысокотемпературные тепловые насосы на углекислом газе (CO₂, R744) способны существенно сократить потребление ископаемого топлива в промышленности. К такому выводу пришли эксперты из University of Waikato, Paderborn University и German Aerospace Center, которые провели исследование потенциала этой технологии.
Уже сегодня такие системы могут применяться в различных отраслях — от покраски автомобилей и сушки продуктов до целлюлозно-бумажного производства.
Принцип работы и преимущества технологии
В отличие от традиционного сжигания топлива, тепловые насосы не генерируют тепло напрямую, а переносят его от источника к потребителю. Это дает принципиальное преимущество: при затрате 1 кВт электроэнергии система может передавать несколько киловатт тепловой энергии (в зависимости от условий работы и конфигурации).
В условиях электрификации промышленности это делает технологию более эффективной альтернативой классическим электрическим котлам.
Основная проблема внедрения
Переход на тепловые насосы в промышленности осложняется широким диапазоном рабочих температур. Традиционные угольные и газовые котлы обеспечивают процессы в диапазоне примерно 20–200 °C и выше.
Для замены таких решений необходимы высокотемпературные тепловые насосы, способные стабильно работать при больших температурных перепадах без значительной потери эффективности.
Роль сверхкритического CO₂
Эффективность систем на CO₂ связана с особенностями его поведения в сверхкритическом состоянии. В таких условиях тепло передается более плавно, без выраженных фазовых переходов, что позволяет точно управлять температурным профилем нагрева.
Это особенно важно для технологических процессов с поэтапным нагревом сырья.
По результатам анализа 16 отраслей промышленности наибольший потенциал применения был выявлен в сушильных процессах.
Применение в пищевой промышленности
Сушка продуктов — один из самых энергоемких процессов. Производство растворимого кофе, крахмала и сухого молока требует значительных объемов тепловой энергии.
Высокотемпературные тепловые насосы позволяют:
- использовать вторичное («бросовое») тепло;
- снижать потребление первичной энергии;
- повышать общую энергоэффективность производства.
Системы способны работать в диапазоне температур порядка 100–200 °C, возвращая тепло выхлопных потоков обратно в технологический цикл.
Конфигурации систем и результаты исследований
Ученые рассмотрели несколько вариантов построения CO₂-теплонасосов:
- базовая схема с расширителем;
- система с разделением потоков для оптимизации теплообмена;
- каскадная схема с последовательным повышением температуры.
Результаты показали, что выбор конфигурации зависит от требуемой температуры:
- до ~150 °C — эффективна схема с расширителем;
- при более высоких температурах (около 200 °C и выше) — преимущество у каскадных и многоконтурных решений.
Коэффициент преобразования (COP) достигал примерно 2,5–2,6 при использовании воздуха как источника тепла и до 4 при утилизации внутреннего тепла предприятия.
Экологический эффект
Экологический потенциал технологии значителен. Даже при использовании электроэнергии со средним углеродным следом снижение выбросов может составлять от 30–35% и выше.
В странах с высокой долей возобновляемой энергетики, таких как Норвегия и Новая Зеландия, сокращение выбросов может достигать 90% и более при замещении ископаемого топлива.
Перспективы внедрения
По оценкам исследователей, даже частичное внедрение технологии в отдельных сегментах пищевой промышленности (сухое молоко, кофе, крахмал) способно существенно снизить глобальные выбросы CO₂.
Таким образом, высокотемпературные тепловые насосы на CO₂ рассматриваются как один из ключевых инструментов декарбонизации промышленности и повышения энергоэффективности производственных процессов.