Utslippsfri energi: Utvikling av effektiv tofase varmepumpe for industriell dampproduksjon

I dag blir energien til prosessindustrien i hovedsak levert fra fossildrevne energikilder (f.eks. fyr- eller gasskjeler) som bidrar til betydelig utslipp av klimagasser. Samtidig er temperaturen på overskuddsenergien fra ulike prosesstrinn for lav til direkte gjenvinning og gjenbruk. Forskning har identifisert industriens behov for høytemperatur varmepumper til å erstatte dampproduksjon fra fossildrevne energikilder med elektrisk energi, og dermed redusere både C02-utslipp og spesifikt energiforbruk. Dagens teknologi er begrenset til små temperaturløft eller svært store termiske kapasiteter, og dekker ikke hele industriens behov. I Free2Heat er det utviklet et validert konsept for høytemperatur varmepumper. Den sentrale delen i en varmepumpe er kompressoren, og hovedmålet i prosjektet har vært å designe, utvikle og teste en robust og bærekraftig tofase kompressor som kan implementeres i en åpen varmepumpekrets, et såkalt MVR (Mechanical Vapor Recompression) system, slik at spillvarme fra termiske prosesser kan gjenvinnes og oppgraderes til et høyere temperaturnivå, for eksempel til å lage industridamp. Spillvarmestrømmer i industrien består ofte av flere faser som for eksempel damp og vann, og inneholder også ofte luft og andre forurensninger. Krav til en robust, effektiv, temperaturbestandig og fleksibel varmepumpe krever dermed utvikling av en kompressorløsning som kan komprimere flere faser. Tocircle har gjennom prosjektet utviklet, bygget og testet en kompressor som møter disse kravene. Kompressoren tåler tofase (gass og væske), og utnytter også denne egenskapen ved å injisere væske i kompresjonskammeret for å kontrollere utløpstemperaturen. Dette gjør at unødvendig overheting av arbeidsmediet unngås, og muliggjør dermed høye leveransetemperaturer samtidig som det gir en mer effektiv varmepumpekrets. Kompressoren håndterer høyt trykkforhold, og siden temperaturkontroll gjøres med direkte væskeinjeksjon er det ikke behov for mellom- eller etterkjølere, og nødvendig kompresjon kan gjøres i ett trinn. I tillegg er kompressoren oljefri, på den måten at den ikke forurenser dampen med smøremidler, og det er heller ikke behov for utstyr for oljeavskilling i varmepumpen. Til sammen gir dette en robust og enkel varmepumpekrets, godt egnet for gjenvinning av spillvarmestrømmer. I Free2Heat er arbeidsmediet vann/damp (R718), og væsken som injiseres i kompressoren er også vann, som fordamper gjennom kompresjonen, og øker mengden levert damp. I den første delen av prosjektet ble mulige bruksområder for en Tocircle dampkompressor utforsket, og de med størst potensial ble videre analysert. Basert på disse funnene ble designparametere, slik som temperaturområde og varmepumpeytelse, definert for en ny-generasjon tofase kompressor. Et av bruksområdene som ble vurdert var varmegjenvinning fra tørkeprosesser som benytter overhetet damp som varmekilde (Superheated Steam Drying). Bruk av overhetet damp til tørking/avvanning av fuktige masser regnes som svært effektivt, men også energikrevende. Ved å fange inn fuktigheten som fordamper fra massen i form av atmosfærisk damp, komprimere denne dampen direkte i en åpen krets varmepumpe slik at trykk og temperatur økes, og levere den tilbake som varmekilde til tørkeprosessen kan energibehovet reduseres betydelig Bioretur AS er et norsk selskap med egenutviklet teknologi for tørking med overhetet damp. Bioreturs tørker brukes primært til tørking av fiskaslam, men også andre anvendelser vurderes. Bioretur ble tatt inn som partner i Free2Heat, og et samarbeid startet for å implementere Tocircles MVR-løsning i Bioreturs tørke. Første versjon av Tocircles nye kompressor ble bygget i 2021, og muliggjør en dampleveranse på mellom 150 og 180°C. Innledende tester av kompressoren ble gjort i Tocircles testanlegg i Glomfjord, der designparameterne ble verifisert opp mot behovet i Bioretur sine tørker. Tocircle konstruerte deretter MVR-anlegget kompressoren skulle kjøres i, og også dette ble bygget og testet i Glomfjord. Parallelt med byggingen åpnet det seg en mulighet for å fremskynde demonstrasjon av anlegget ute hos kunde; Scanship AS har en tørke for biomasse på Lindum avfallsanlegg utenfor Drammen, og var interesserte i å teste ut ny teknologi for å gjenvinne overskuddsvarmen. MVR-anlegget ble installert og satt i drift på Lindum våren 2022, og driftet som pilotanlegg ut året. I løpet av pilotperioden oppnådde man stabil drift av MVR-anlegget i tørkeprosessen, og tørkingen kunne gjøres med MVR-anlegget som eneste varmekilde. Flere mulige kunder besøkte anlegget på Lindum og fikk se MVR-anlegget i drift, og i desember 2022 kom også olje- og energiminister Terje Aasland på besøk og fikk en innføring i teknologien. Hovedformålet med Free2Heat er dermed oppfylt, og det ble ansett at en ny demonstrasjonsperiode i et av anleggene til Bioretur innenfor prosjektperioden ikke var nødvendig. Samarbeidet mellom Bioretur og Tocircle fortsetter i stedet rundt kommersielle anvendelser.

For Tocircle: Prosjektet har resultert i et attraktivt produkt som ved prosjektavslutning kan tilbys kommersielt. Det har også skapt mye interesse blant potensielle kunder, og bidrar dermed til Tocircle kan ta steget fra ren teknologiutvikling til regulær lønnsom drift. Dette vil i sin tur bl.a. bety økt antall arbeidsplasser både i Nordland og Oslo-området. For Bioretur: Samarbeidet i Free2Heat gir Bioretur mulighet til å tilby sine anlegg med integrert løsning for gjenvinning av overskuddsvarme, og dermed redusere både utslipp og energikostnader, hvilket gir et betydelig konkurransefortrinn. For samfunnet generelt: Industrielle høytemperatur varmepumper regnes som en viktig teknologi for å muliggjøre overgang fra fossile brennstoff til elektrisk energi i varmekrevende prosesser. Teknologien som er tatt frem i Free2Heat vil bidra til dette skiftet, og dermed redusere utslipp og kostnader/ressurser til både energi og energirelatert infrastruktur

Prosjektet svarer på EnergiX-utlysningen for området Energibruk og konvertering, og muliggjør økt utnyttelse av spillvarme og mer energieffektive produksjonsmetoder og prosesser for helt nye industrisegmenter. I dag blir energien til prosessindustrien i hovedsak levert fra fossildrevne energikilder (f.eks. fyr- eller gasskjeler) som bidrar betydelig til utslipp av klimagasser. Samtidig er temperaturen på overskuddsenergien fra ulike prosesstrinn for lav for direkte gjenvinning og gjenbruk. Forskning har identifisert industriens behov for høytemperatur varmepumper som kan erstatte dampproduksjon fra fossildrevne energikilder og redusere spesifikt energiforbruk. Det tekniske potensialet til en industriell varmepumpe i området 100 til 150°C er estimert til 172 TWh/år i EU, med et markedspotensiale for 4400 anlegg og et verdiskapningspotensial mellom 13 200 og 35 200 MNOK. Kapasitetsbehovet for termiske systemer ligger i effektområdet 0,5-4 MW. Høytemperatur varmepumper kan integreres i termiske prosesser hvor damp ofte er varmebærer, hvor produksjonen leverer overskuddsdamp som benyttes direkte i varmepumpen, og leveres tilbake til prosessen etter temperaturløft. Dagens teknologi er begrenset til små temperaturløft eller svært store termiske kapasiteter, og dekker ikke industriens behov. Free2Heat skal utvikle en validert konsept for høytemperatur varmepumper. Hovedmålet er utvikling av en robust og bærekraftig tofase varmepumpe som kan implementeres i en åpen varmepumpekrets, slik at spillvarme fra termisk prosesser kan gjenvinnes og oppgraderes til et høyere temperaturnivå. Spillvarmestrømmer i industrien består ofte av flere faser som for eksempel damp og vann, og inneholder også ofte luft og andre forurensninger. Krav til en robust, effektiv, temperaturbestandig og fleksibel varmepumper krever dermed utvikling av en kompressorløsning som kan komprimere flere faser. Ved utviklingen av to-fase varmepumper vil Tocircle bli ledende i verden på dette området.