Ученые из Университета Вайкато в Новой Зеландии, Падерборнского университета и Германского аэрокосмического центра провели масштабное исследование, в котором оценили потенциал углекислого газа в качестве хладагента для высокотемпературных тепловых насосов. Эти установки рассматриваются как альтернатива газовым и угольным котлам в таких процессах, как сушка продуктов, производство бумаги или покраска автомобилей. В отличие от котлов, которые получают тепло за счет сжигания топлива, тепловой насос не производит тепло напрямую, а переносит его с низкого температурного уровня на высокий. Этот принцип особенно важен в контексте электрификации промышленности. Если при прямом электрическом нагреве (например, с помощью электрокотлов или ТЭНов) один киловатт-час электроэнергии превращается примерно в один киловатт-час тепла, то тепловой насос использует электричество иначе: он тратит его на «перекачку» уже имеющейся тепловой энергии. За счет этого из одного киловатт-часа электроэнергии можно получить в несколько раз больше полезного тепла.
Однако для замены традиционных котлов, которые нагревают воздух или теплоноситель в широком диапазоне (примерно от 20 до 200°C), требуются специальные тепловые насосы, способные эффективно работать при большом температурном перепаде.
Исследователи сосредоточились на уникальном свойстве CO₂ в сверхкритическом состоянии. В таких условиях он отдает тепло не при одной фиксированной температуре, как, например, вода при кипении, а постепенно остывая. Это позволяет гораздо точнее согласовать теплообмен с реальными промышленными процессами, где потоки нагреваются плавно — от холодного состояния к очень горячему. Проанализировав различные отрасли, ученые выделили 16 промышленных процессов, где это свойство может дать наибольший эффект. Особое внимание привлекли сушильные установки.
Во всем мире на сушку молочного порошка, растворимого кофе и крахмала ежегодно расходуются сотни петаджоулей энергии — эквивалент миллионов тонн условного топлива. При этом такие процессы идеально подходят для тепловых насосов: им нужен горячий воздух с нагревом на 100–200°C, а в качестве источника низкопотенциального тепла можно использовать их же теплые и влажные выхлопные газы.
Для оценки эффективности ученые сравнили три схемы тепловых насосов на CO₂: классическую — с расширителем, который позволяет вернуть часть энергии при снижении давления; схему с разделением потока хладагента для лучшего согласования температур; и каскадную, где два контура CO₂ последовательно повышают температуру.
Моделирование показало, что универсального решения не существует. При температурах до 150°C наилучшие показатели дает схема с расширителем, тогда как при нагреве до 200°C и выше более эффективными оказываются варианты с разделением потока и каскадом, особенно при ограничениях по давлению. В таких режимах КПД достигает 2,6 при использовании окружающего воздуха и возрастает до 4 при подключении тепла выхлопных газов самого процесса.
С экологической точки зрения результаты выглядят еще более убедительно. Даже при работе от средней по выбросам европейской электросети замена газовых горелок на тепловые насосы на CO₂ позволяет сократить выбросы углекислого газа на 35, а в отдельных случаях — до 94%. В странах с низкоуглеродной энергетикой, таких как Норвегия или Новая Зеландия, сокращение выбросов приближается к максимальному.
По расчетам исследователей, внедрение таких технологий хотя бы в сегменте сушки молочного порошка, сыворотки, кофе и крахмала может предотвратить выбросы миллионов тонн CO₂ в год.
