CO2-energiatehokkuus supermarketeissa

Hiilidioksidi eli CO2 on tällä hetkellä kysytympi kylmäaine kaupan kylmäjärjestelmissä kuin koskaan. Siksi CO2- järjestelmien energiatehokkuudesta keskustellaan vilkkaasti. Energiakeskustelu keskittyy kahteen pääaiheeseen: ilmastonmuutoksen torjumiseen ja hankinnan kannattavuuteen.

— 12. toukokuuta 2016 Julkaisija James Knudsen; Regional Segment Manager, Food Retail - Danfoss

Elinkaarivaikutukset
Koko elinkaaren kattavia ilmastovaikutuksia tutkitaan LCCP-menetelmällä (Life Cycle Climate Performance), jossa eri teknologioiden ympäristövaikutuksia verrataan mittaamalla niiden suhteutettuja CO2-päästömääriä. Perinteiset HFC-kylmäjärjestelmät vaikuttavat ilmastoon koko elinkaarensa ajan merkittävästi kahdellatavalla: suoraan ja epäsuorasti. Suoriksi LCCP-vaikutuksiksi lasketaan järjestelmien kylmäainepäästöt ilmakehään. Se ilmaistaan GWP-arvolla (Global Warming Potential), mikä tarkoittaa kylmäaineen lämmitysvaikutusta (LCCP-vaikutuksen tapaan GWP lasketaan sen mukaan, kuinka kylmäaine vaikuttaa ilmastonmuutokseen CO2:een verrattuna). Vaikka kylmäainepäästöt eivät saa olla tahallisia (ja ne ovat useissa maissa lainvastaisia), ne ovat yleisiä kylmäjärjestelmien elinkaaren aikana etenkin vuotojen takia. Vuodot voidaan pitää kurissa, mutta päästöt saadaan estettyä myös käyttämällä pienen GWP-arvon kylmäaineita, kuten CO2:ta (CO2:n GWP-arvo on 1 verrattuna R404A-kylmäaineen GWP-arvoon ~4 000). Kylmäainevuotoja koskevia sääntöjä ja lakiehdotuksia on jo vireillä (etenkin Kaliforniassa). Jos ne hyväksytään, vuodoista voi joutua maksamaan lisäkorvauksia ympäristösakkojen lisäksi.

Epäsuorat vaikutukset aiheutuvat kylmälaitteiden käyttämästä energiasta. Mitä vähemmän energiaa laite kuluttaa, sitä pienemmät ilmastovaikutukset sillä on. Perinteisissä HFC-järjestelmissä nämä suorat ja epäsuorat ilmastovaikutukset ovat suunnilleen samaa kokoluokkaa. Siksi jopa suhteellisen pienen GWP-arvon järjestelmillä voi olla merkittävä vaikutus ilmastomuutoksen torjunnassa.
Kannattavuuslaskelmat jarruttavat varmasti suurelta osin CO2-järjestelmien suosiota, sillä CO2-järjestelmät ovat Pohjois-Amerikassa huomattavasti kalliimpia kuin perinteiset kylmäjärjestelmät. Hintaeroihin on monta syytä. CO2-järjestelmissä käytetään korkeapainetta(eli kalliimpia komponentteja), ja ne ovat monimutkaisempia laitteistoja kuin perinteiset HFC-järjestelmät. Niissä tarvitaan lisävarusteita, kuten varoventtiililinja, ja kaasujäähdyttimen paluuputkeen on asennettava transkriittinen korkeapaineventtiili ja säätimiä. CO2-järjestelmien myyntiluvut eivät myöskään yllä Pohjois-Amerikassa sille tasolle, että komponenttien hinnat ja asennuskustannukset painuisivat alemmas. Järjestelmien käyttökustannukset on saatava pysymään jatkuvasti edullisella tasolla, jotta niiden pääomakustannukset pysyvät kurissa.

CO2-järjestelmien taloudellisuuteen vaikuttavat myös muut tekijät, kuten pitkän tähtäimen lainsäädännölliset ja sosiaaliset vaikutukset, mutta niiden painoarvoa on huomattavasti vaikeampi arvioida. Arviolaskelmat onnistuvat paremmin käyttämällä yksinkertaistettua talousmallia, jossa järjestelmän pääomakustannukset lasketaan vain energiatehokkuuden mukaan.

Fyysisten ominaisuuksiensa takia CO2 on energiatehokkuuden suhteen HFC-kylmäaineita haastavampi vaihtoehto kylmäjärjestelmiin. Haasteet johtuvat korkeasta käyttöpaineesta (yli 1 000 psi, kun taas R22:ssa noin 200 psi) ja lämmön luovutuksen ja paisuntaprosessin aiheuttamasta heikommasta suhteellisesta suorituskyvystä. Vaikka nämä erot saattavat kuulostaa merkittäviltä –20 %:n sakon lisäksi – niitä saadaan lievennettyä järjestelmän huolellisella suunnittelulla.

Toisaalta osa CO2:n ominaisuuksista parantaa kaupan kylmäjärjestelmän tehokkuutta. Se tehostaa volumetristä hyötysuhdetta (yli 6 kertaa suurempi jäähdytysteho kuin R22:lla), pienentää puristussuhdetta (kompressorin imu- ja poistopaineen välinen ero) ja alentaa viskositeettia (helpottaa pumppausta). Uuden teknologian ansiosta myös CO2:n ainutlaatuiset hyötysuhdetta parantavat ominaisuudet on saatu valjastettua tehokäyttöön.

 

Järjestelmien vertailua vaikeuttaa se, että CO2-järjestelmissä käytetään yleisesti teknologisia ratkaisuja, joita voi käyttää tehokkaasti myös perinteisissä HFC-järjestelmissä. CO2-järjestelmän hankintakustannukset saattavat tuntua näiden teknologioiden takia korkeammilta tavalliseen HFC-järjestelmään verrattuna, mutta erillisinä osina ne ovat taloudellisia vaihtoehtoja mihin tahansa järjestelmään. Useat kauppiaat ovat jo huomanneet, että HFC-järjestelmien energiaa säästävät teknologiat maksavat itsensä hyvin takaisin.

Energiatehokkaat teknologiat voidaan jakaa kolmeen luokkaan. Ensimmäinen luokka sisältää elektroniset paisuntaventtiilit, joissa on säätimet imupaineen optimointiin. Ne vähentävät kompressoriin kohdistuvaa kuormaa olosuhteiden muuttuessa. Toinen luokka käsittää kierrossäädettävät taajuusmuuttajat, jotka mukauttavat kompressorin ja lauhduttimen tehoa kuorman muuttuessa. Kolmantena ovat lämmön talteenottojärjestelmät, jotka hyödyntävät hukkalämmön kylmäkierrossa.

Lämmön talteenotolla täydennetään lämminvesiratkaisuja – etenkin HFC-järjestelmissä – hyödyntämällä hukkalämmön suotuisia ominaisuuksia (esim. alhaista lämpötilaa). CO2-järjestelmissä hukkalämmön lämpötila on paljon korkeampi, ja siksi sitä voidaan käyttää esim. veden lämmityksessä, käyttömukavissa lämmitysratkaisuissa, lämmönsiirtimissä tai kuivainaineen kuivaamisessa takaisin käyttövalmiuteen.

 

CO2:lle kehitetyt teknologiat on otettu huomioon järjestelmän suunnittelussa. Booster-järjestelmissä kompressorin putket on sijoitettu niin, että alhaisen lämpötilan kompressori tehostaa imupainetta keskilämmöllä toimivia kompressoreita varten, säästäen työtä ja energiaa.

Rinnakkaiskompressointi vie osan keskilämmöllä toimivien kompressorien tehosta. Kun kaasujäähdyttimestä poistuva puristettu höyry laajentuu ja tiivistyy nesteeksi, kylmäaine kuplii. Rinnakkaiskompressointi puristaa kuplinnan pienempää puristussuhdetta käyttäen. Suurin osa varaajan kuplinnasta joutuu hukkaan, jollei sitä oteta talteen. Talteenotto ei ole vaikeaa, ja se voi lisätä järjestelmän tehoa jopa 20 % transkriittisen käytön aikana.

Ejektori kuuluu uutuuslaitteisiin. Ejektori käyttää kaasujäähdyttimestä tulevaa puristettua, korkeapaineista höyryä ja nostaa kylmäaineen kuplintapainetta laajenemisen aikana syntyvällä hukkaenergialla. Näin kylmäaine nousee rinnakkaiskompressorien imupuolelle ja vähentää kuplinnassa käytettävän puristusvoiman tarvetta. Tämä tehokas teknologia on vastaus CO2-kylmäratkaisujen kompastuskiveen ja saattaa olla ratkaisu myös lämpimissä ilmastoissa käytettäviin transkriittisiin CO2-järjestelmiin.

 

Tämä taulukko sisältää lämpimässä ilmastossa käytettävien järjestelmien arvot (huom. luvut ovat arvioituja vuositasoja):

 Transkriittiset CO2 
-järjestelmät  
HFC-järjestelmät
Tavallisen kylmäaineen tehokkuus-20%Vertailuarvo
Elektroniset paisuntaventtiilit, sis. säätimet+10%+10%
Kierrossäädettävät taajuusmuuttajat kompressoreissa ja lauhduttimissa+5%+5%
Lämmöntalteenotto+10%+5%
CO2 Booster-teknologia+5% 
Rinnakkaiskompressio+10% 
Ejektoriteknologia (kaasu ja neste)+10% 
Energiatehokkuus yhteensä verrattuna tavalliseen HFC-järjestelmään+30%[+20%]
Energiatehokkuus yhteensä verrattuna kehittyneeseen HFC-järjestelmään+10% 

Arvoissa on otettava huomioon se, että vaikka energiatehokkuus ei välttämättä parane yhtä paljon kylmissä ilmastoissa, transkriittisten CO2-järjestelmien kokonaishyötysuhde on parempi viileämmissä käyttöympäristöissä (esim. lyhyempi käyttöaika transkriittisessä tilassa).

Tässä yhteenvedossa ei ole huomioitu adiabaattisia lauhduttimia tai haihdutuslauhduttimia / kaasujäähdyttimiä, jotka voivat lisätä järjestelmän tehokkuutta vielä 5 %. Kun järjestelmä suunnitellaan huolella, transkriittisen CO2-kaasujäähdyttimen voi konfiguroida käyttämään jopa 80 % vähemmän vettä kuin HFC-höyrystin. Laitteiden suorituskyky vaihtelee käyttöpaikan ilmaston ja laitteessa käytetyn järjestelmän mukaan. Kyseessä on siis varsin varteenotettava teknologia.

Artikkelissa ei ole analysoitu kaikkia mahdollisia käyttötarkoituksia. Tarkoituksena oli antaa lukijalle selkeä yleiskuva nykytilanteesta ja markkinoilla olevista teknologioista. Transkriittisen CO2-teknologian voi selvästikin ottaa käyttöön kaikissa ilmastoissa, ja se on kannattava ja ympäristöystävällinen ratkaisu.

 

 

Ole sosiaalinen Osallistu

Haluatko olla meihin yhteydessä?

Tutustu meihin ja osallistu keskusteluun