W przemyśle farmaceutycznym w procesach produkcyjnych stosowany jest bardzo szeroki zakres temperatur. Mówimy o temperaturach od poziomu kriogenicznego, czyli – 196°C dla ciekłego azotu aż do wysokich temperatur do pasteryzacji lub sterylizacji. Co więcej temperatury te stosowane są często jednocześnie w procesach wytwarzania tych samych produktów, ale na jego innych etapach. Fakt ten daje unikalny potencjał o którym jest niniejszy artykuł. Mowa dokładnie o zmniejszeniu zużycia energii przy jednoczesnym zapewnieniu wymaganych temperatur na wysokim poziomie bezpieczeństwa. Co czytelnik zapewne już zauważył w swoim zakładzie produkcyjnym, wyżej opisany zakres temperatur jest wytwarzany różnymi metodami. Podobnie jak produkcja leków, związane z nią chłodzenie i ogrzewanie mogą być skomplikowane, dlatego w pierwszej kolejności postaram się uporządkować podstawową wiedzę.

Tabela poniżej przedstawia metody chłodzenia i ogrzewania w zależności od temperatur:

Można już zauważyć, że jak pod względem chłodzenia tak i ogrzewania są zakresy temperatur, w których stosowane mogą być urządzenia pracujące w tej samej technologii – mowa o urządzeniach sprężarkowych. Celowo unikam określenia chiller lub pompa ciepła, ponieważ w zależności od wykorzystanego medium to samo urządzenie będzie określane inaczej. Dla wyjaśnienia przedstawiam podstawowy schemat działania urządzenia chłodniczego.

Z punktu widzenia wykorzystania chłodu powyższy schemat przedstawia chiller lub od strony ciepła – pompę ciepła. W swojej esencji urządzenie chłodnicze odbiera energię od źródła ciepła w odpowiednio niskiej temperaturze, następnie podnosi parametr temperatury i oddaje je do górnego źródła – powietrza, wody itd. Oczywisty jest więc potencjał produkcji chłodu i ciepła jednocześnie. Sprężarkowe urządzenia chłodnicze pracujące w obiegu zamkniętym.

Można je podzielić wg wielu metod:
• Temperatur pracy (zamrażanie / chłodzenie / klimatyzacja),
• Sposobu działania (chłodzenie pomieszczeń / procesowe),
• Stosowanego czynnika (F-gazowe / CO2),
• Trybów pracy (chłodnicze / pompy ciepła / wielozadaniowe), itd.

Podstawową metodą podziału technologii chłodniczych jest stosowany czynnik. Dotychczas najczęściej spotykane są urządzenia pracujące na popularnych F-gazach takich jak r404a, r410, r134a itd. Czynniki te znacznie przyczyniają się do zwiększenia efektu cieplarnianego i obecnie są regulowane oraz wycofywane. Regulacje takie jak Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego 517/2014 zabrania stosowania czynników o GWP powyżej 2500. Pozostałe regulacje nakładają kontyngenty na import czynników, narzucają obowiązki CRO, certyfikacji personelu itd.

Chciałbym jednak pokreślić, że nie jestem zwolennikiem wycofywania technologii regulacjami prawnymi. Faktem jest także, że chłodnictwo F-gazowe zużywa niepotrzebnie dużo energii. Co za tym idzie, inne – nowe technologie są znacznie bardziej opłacalne pod względem finansowym.

W tym miejscu pojawiają się urządzenia na r744 – CO2. Systemy chłodnicze pracujące na tym czynniku są już bardzo popularne, lubiane i sprawdzone w takich branżach jak handel, przemysł spożywczy i magazyny logistyczne. Można śmiało powiedzieć, że są pierwszym wyborem.

Poniżej lista cech, których Klient może już dziś oczekiwać od najnowocześniejszych, najbardziej efektywnych energetycznie chillerów:

• Czynnik chłodniczy r744 (CO2)
• Praca w trybie transkrytycznym
• Parownik zalany
• Bardzo wysoki standard ciśnieniowy 80/120bar
• Gas coolery dobrane na DT 3K lub mniej
• Wysokotemperaturowy odzysk ciepła
• Dedykowany system sterowania ze zdalnym nadzorem

Jak wcześniej wspominałem urządzenia na CO2 posiadają bardzo znaczny potencjał produkcji lub odzysku ciepła. Czym on się różni od odzysku ciepła z F-gazów?

Ze względu na pracę transkrytyczną, po stronie oddawania ciepła chillery na r744 mogą ogrzać wodę nawet do temperatury +95°C, kontra około 55°C dla urządzeń F-gazowych. Kolejną metodą wg której można podzielić urządzenia chłodnicze są tryby pracy.

Możemy więc wyróżnić:
1. Chillery z lub bez odzysku ciepła
2. Pompy ciepła z lub bez odzysku chłodu
3. Urządzenia jednocześnie chłodzące i ogrzewające
4. Urządzenia, które mogą chłodzić, ogrzewać lub wykonywać
obie te czynności jednocześnie

Chiller będzie chłodził medium, a ciepło wyrzucał do otoczenia. Istnieje możliwość zastosowania odzysku ciepła. Ciepła jednak będzie tyle ile wyniknie to z produkcji chłodu. Nie będzie możliwe wymuszenie pracy w trybie „odzysku ciepła”.

Pompa ciepła produkuje gorące medium. Ciepło to pobiera z otoczenia w wymienniku powietrznym lub gruntowym. Niektóre pompy ciepła mają opcję „odzysku chłodu”, który będzie pracował podobnie jak odzysk ciepła. To znaczy nie będzie możliwości wymuszenia produkcji chłodu kiedy ciepło nie będzie wymagane.

Urządzenia chłodząco grzewcze są typowym przykładem systemu procesowego. W żadnym miejscu nie ma wymiany ciepła z otoczeniem. Ilość ciepła i chłodu są ściśle ze sobą powiązane i bilans energetyczny między nimi musi zawsze się zgadzać.

Ostatnią grupą najbardziej wyspecjalizowanych systemów są urządzenia, które w sposób dowolny mogą produkować chłód i ciepło bez względu na bilans energetyczny pomiędzy nimi. Urządzenia te posiadają wymiennik ciepła, który będzie oddawał nadmiar ciepła lub je pobierał z otoczenia.

Istnieje oczywisty potencjał zastosowania urządzeń dwufunkcyjnych we wszystkich procesach, które wymagają chłodu i ciepła jednocześnie takich jak osuszanie, pasteryzacja, itd. Ciepło dostępne w odzysku ciepła lub w pompie ciepła definiują dwa parametry:

• moc grzewcza w kilowatach [kW] – ilość dostępnego ciepła
• temperatura [0°C] bez względu na moc

Jak już wcześniej wspominałem urządzenia na CO2 mają znaczącą przewagę nad urządzeniami F-gazowymi pod względem potencjału ogrzewania bo możliwe jest osiągnięcie temperatury nawet 95°C przy bardzo niskim zużyciu energii. Muszę jednak zaznaczyć, że nie są to urządzenia uniwersalne jak w przypadku każdej instalacji istnieją ograniczenia w zakresie stosowania. Ograniczenia te wynikają bardziej ze względów ekonomicznych niż technicznych. To znaczy, że istnieją parametry ciepłej wody, które owszem można osiągnąć, ale będzie to nieopłacalne pod względem zużycia energii. Analizę ekonomiczną rozpoczniemy od porównania dwóch chillerów pracujących w tych samych warunkach opisanych poniżej:

• Woda 7/12°C
• Ciepło oddawane jest do otoczenia dla klimatu Poznania
• Moc chłodnicza 500 kW
• Obciążenie stałe 100%, 365 dni w roku
• Bez freecooling’u

System referencyjny (wykres niebieski):

• R407c, pracujący w bardzo dobrych parametrach (lepszych niż najczęściej spotykane)
• Temperatura skraplania minimum 28°C, DT 10K

System porównywany (wykres pomarańczowy):

• R744, pracujący w najczęściej spotykanych parametrach
• Temperatura skraplania minimum 16°C, DT 3K (czasem spotyka się lepsze parametry)

Wykres poniżej przedstawia zużycie energii przez rozpatrywane chillery w skali roku.

Jak widzimy różnica w zużyciu energii pomiędzy rozpatrywanymi urządzeniami jest znaczna i wynosi 44%. Wykres przedstawiający układ F-gazowy jest blisko płaski, ponieważ urządzenia F-gazowe mają ograniczenie pod względem możliwości pracy przy minimalnej temperaturze skraplania. W naszym wypadku przyjąłem wartość 28°C. Czyli chiller F-gazowy w zimę przy temperaturze zewnętrznej 0°C będzie pracował tak samo jak przy +18°C. Jest to bardzo dobry parametr, który w rzeczywistości niewiele urządzeń osiąga. Tymczasem chiller na CO2 będzie mógł zejść z temperaturą skraplania do +16°C.

Chiller na r407 przez rok zużyje 880 tys. kWh, a na CO2 491 tys. kWh. To oznacza, że bez względu na obecną lub przyszłą stawkę za energię elektryczną koszt eksploatacji urządzenia na CO2 będzie zawsze niższy.

Jak niniejsze porównanie będzie wyglądało dla urządzenia dwufunkcyjnego, czyli chłodzącego i ogrzewającego jednocześnie? Od obydwu systemów wymagamy wody o temperaturze 18/60°C.

Oznacza to, że w ciągu roku:

• Obydwa urządzenia wyprodukują: 4380 000 kWh chłodu w temperaturze 7/12°C
• Urządzenie F-gazowe wyprodukuje: 5 841 234 kWh ciepła i zużyje 1 461 tys. kWh energii elektrycznej
• Urządzenie na CO2 wyprodukuje: 5 311 113 kWh ciepła i zużyje 931 tys. kWh energii elektrycznej

Dla ceny 1kWh = 0,8 PLN koszt eksploatacji przedstawia się następująco:

• 1,522 mln PLN dla r407c
• 0,670 mln PLN dla r744

Wykres poniżej przedstawia zużycie energii porównywanych urządzeń w skali roku. Oszczędność energii na rzecz CO2 wynosi ponad 36%.

W ramach swojej praktyki jako konsultant i projektant instalacji chłodniczych oraz pomp ciepła, wykonałem setki, a nawet tysiące podobnych porównań. Uwzględniając koszty inwestycyjne, czas zwrotu urządzeń na CO2 wynosi od 1,5 roku do około 6 lat. Aby określić jaki będzie payback dla systemu, który może być zastosowany w zakładzie czytelnika należy wykonać indywidualne obliczenia.

Dotychczas pisałem o przewadze chłodnictwa na r744. Czytelnikowi należy się jednak także wiedza na temat jego ograniczeń, które są po stronie ciepłej. Ze względu na pracę w obiegu nadkrytycznym rozsądna maksymalna temperatura wejścia medium ogrzewanego nie powinna przekraczać około 30°C.

Podsumowując branża farmaceutyczna ze względu na swoją unikalną technologię produkcji posiada bardzo duży potencjał oszczędności energii poprzez mądre jej wykorzystanie. Jako mądre rozumiem wykorzystywanie już zużytej energii wielokrotnie bez wyrzucania jej do otoczenia w formie ciepła. Proponowane przeze mnie rozwiązania dają oszczędności dzięki zmniejszeniu zużycia energii bez względu na źródło jej pochodzenia. Jest to szczególnie ważne dla zakładów, które osiągnęły już swoje limity wielkości przyłączy elektrycznych lub gazowych. Istnieją przynajmniej dwie dostępne komercyjnie i sprawdzone technologie transformacji ciepła. Są one różne i pasują do różnych zastosowań. Mimo, iż widzę znaczny potencjał zastosowania urządzeń na CO2 należy mieć w pamięci granice ich zastosowań opisanych powyżej. Jeśli jednak Twój zakład może zastosować chłodnictwo na r744 to z dużą pewnością będzie to bardzo opłacalna inwestycja.

Cała treść czasopisma w linku poniżej

https://publuu.com/view/422/8191/page/18

dla Czasopisma Świat Przemysłu Farmaceutycznego 1/2022 Maurycy Szwajkajzer