Varmepumpen kan øke temperaturen opp til 200 grader

I Mölndal sør for Göteborg ligger Astra Zenecas forskning- og utviklingssenter, hvor rundt 3000 ansatte jobber for å utvikle fremtidens legemidler.

Behovet for varm damp er stort i industrien, og den lages ved bruk av strøm eller forbrenning. Samtidig har mange bedrifter et stort overskudd av varme med betydelig lavere temperatur. Det er et utmerket utgangspunkt for en varmepumpe skulle man tro, men den tradisjonelle teknologien i varmepumper klarer ikke et så stort temperaturløft.

De svenske ingeniørene ville kvitte seg med naturgass for å lage damp og bruke grønn strøm i stedet. Og de ville ha mest mulig ut av strømmen. De ville ha både damp og kjøling med så høy virkningsgrad som mulig.

Det får de hjelp av fra det norske selskapet Olvondo Technology. Selskapet har administrasjon og utvikling i Holmestrand, mens sammenstilling og delvis produksjon skjer på Bømlo.

HighLift-varmepumpen, som teknologien heter, er designet for å kunne løfte temperaturen opp til 200 grader. Som alle eksterne og interne forbrenningsmotorer er maskinen begrenset innen et PV-diagram der trykket varierer langs Y-aksen og volumet langs X-aksen.

I en vanlig varmepumpe koker og kondenserer arbeidsmediet i væskeform ved ulike trykk. Kompressoren løfter trykket på arbeidsmediet i gassfase, slik at den kan avgi varme og kondenseres til væskefase ved høyere trykk og temperatur. Så blir trykket til væsken redusert i en reguleringsventil til det laveste trykket. Nå kan væsken kokes ved lav temperatur.

Slik er det ikke med Olvondo Technologys teknologi. Heliumgassen forblir i gassfase, og trykket og temperaturen varierer over syklusen.

Stirlingmotoren

Stirlingmotoren ble utviklet allerede i 1816 av skotten Robert Stirling i en tid da dampmaskinen dominerte markedet. Den var tenkt som et tryggere alternativ til dampmaskinen, som hadde det med å gå i lufta. Dette var i motsetning til de interne forbrenningsmotorene, som kom senere, en ekstern forbrenningsmotor hvor varmen ble tilført prosessen utenfra og konverterte varmeenergi til mekanisk energi. Stirling-prinsippet trengte en varmekilde, men også tilgang på mye lavere temperatur, altså en varmegradient, for å fungere.

Opprinnelig var teknologien som Olvondo utviklet, tenkt brukt til å produsere strøm fra overskuddsvarme på 150 grader. Det fungerte, men den termiske virkningsgraden blir for lav ved disse temperaturforskjellene.

De hadde bygget en motor etter Stirling-prinsippet, og slike kan, som elmotorer, brukes både som motor og generator.

Derfor ble utgangspunktet snudd på hodet for å bruke den som varmepumpe. Olvondo ville utnytte spillvarme fra 0 til 100 grader og løfte den til mellom 100 og 200 grader med en elmotor. Dagens varmepumpe kan lage varm damp på opptil 200 grader i et stort løft. Det kan ikke gjøres med teknologien vi til daglig omtaler som varmepumper.

Ved å snu Stirlingmotor-prinsippet på hodet, konverteres mekanisk energi for å løfte den lave temperaturen opp til svært høy temperatur. For å få til det, trenger de et arbeidsmedium i form av to kilo med heliumgass som komprimeres og ekspanderes og transporterer varmen rundt i maskinen.

De svære maskinene har fire sylindre i V-konfigurasjon hvor stemplene er dobbeltvirkende, de fungerer altså på begge sider.

Koblet sammen

To og to sylindre jobber sammen og er koblet til hverandre via tre varmevekslere. En kald, en varm og et varmelager.

Stemplene beveger seg i et mønster som gjør genereringen av varme og kulde optimal og energien med den høye og lave temperaturen hentes inn og leveres ut via varmevekslerne. Gassen ekspanderes på den kalde siden og komprimeres på den varme siden. Varmelageret jevner ut temperaturen i de to sylindrene ved å fange opp og avgi varme ti ganger i sekundet mens gassen strømmer til og fra sylindrene.

Hos Astra Zeneca har de behov for varm damp, og det lager pumpene i et løft fra en «kald» side på mellom 30 til 40 grader til den varme på rundt 185 grader. Vanntrykket under varmevekslingen holdes på 15 bar så det ikke koker.

Heliumtrykket er på gjennomsnitt 50 bar på det meste og varierer fra gjennomsnittstrykket mellom 10 og 15 bar.

Ved å kombinere bruken av både kulde og varme ligger virkningsgraden på mellom 3 og 4.

Den første pumpen Olvondo Technology laget, var en prototyp som aldri ble satt i industriell drift. Ut fra erfaringene med den, konstruerte de den andre generasjonen og solgte slike til Tine og Lerum høsten 2015. Etter flere utfordringer går disse nå stabilt. Ingen annen teknologi kan levere et så stort varmeløft i ett trinn som disse Stirling-baserte maskinene.

– Disse pumpene løfter ikke temperaturen så mye som vi nå gjør med de tre pumpene som har gått her ved Astra Zeneca siden 2018. Det er nok årsaken til at vi opplever at de er ganske driftssikre, sier salgssjef Roger Myrvang i Olvondo Technology.

Hos Astra Zeneca står det fire HighLift-maskiner. Tre er av 2. generasjon mens den siste er den nye er 3. generasjon, som er betydelig forbedret og kraftigere. Både Olvondo og kunden er åpne om at de tre første pumpene har hatt store driftsproblemer. Fremfor alt er det varmevekslere og tetninger i heliumkretsen som har vært problemet.

Men nå, i sin tredje generasjon, ser det ut til at teknologien har funnet sin form. Den eneste tredjegenerasjons varmepumpen i Astra Zenecas forsknings- og utviklingssenter har fungert svært bra. Den hadde gått i tre måneder uten problemer da Teknisk Ukeblad var på besøk.

Ville erstatte naturgass

– Vi har et stort behov for damp her, og vi har lenge ønsket å erstatte bruken av naturgass med elektrisitet til å produsere damp. Vi hadde fire dampkjeler som produserte damp, og det passet dårlig med ambisjonene selskapet har for reduksjon av klimagassutslipp. 98 prosent av dagens utslipp skal bort. Vi har et ganske stort forbruk av damp på 180 grader, og vi så at vi kunne få mer damp ved å bruke en varmepumpe samtidig som vi kunne få kaldt vann vi kunne bruke til kjøling, sier energiansvarlig Martin Johansson.

– Valget av HighLift var et puslespill med teknologibrikker. Vi kunne brukt biogass, men tilgangen er begrenset. Varmepumpene gir oss mulighet til å drifte laboratoriene kostnadseffektivt med lave CO₂-utslipp, og vi så at vi kom bedre ut av miljøregnskapet ved å bruke grønn strøm og spillvarme fra andre prosesser. Behovet vårt lå utenfor det en konvensjonell varmepumpe klarer, sier driftssjef Artur Gunnarsson.

Allerede i 2015 besøkte han og Johansson Tine og Lerum for å se på den norskutviklede teknologien, og året etter signerte de kontrakten. I 2018 ble pumpene satt i drift.

– Vi var forventningsfulle, for vi hadde aldri levert damp på 180 grader med 10 bars trykk før fra en inputside som ligger rundt 40 grader, sier Johansson.

Utbedring i felten

– Teknologien har gitt oss langt mer problemer enn det vi så for oss. Riktignok var vi en pilotinstallasjon med de kravene vi hadde, men det ble vel så mye et forsknings- og utviklingsprosjekt, sier Gunnarsson.

– Det er ingen tvil om at vi har hatt en svært tålmodige kunder. Vi har klart å forbedre de tre første pumpene, og den nye generasjonen er konstruert med de erfaringer vi har høstet, sier Roger Myrvang i Olvondo.

EU er interessert i at spillvarme utnyttes på denne måten og har bidratt med å dekke 70 prosent av kostnadene. Derfor er maskinen godt utstyrt med sensorer som skaffer dokumentasjon.

– Vi bidrar med tid og ekspertise. Men det var ikke enkelt å få dette til da pandemien sto på som verst, sier Gunnarsson.

Myrvang forteller om veldig stor interesse for varmepumpeteknologien, blant annet fra et stort meieri i Sveits.

– Vi har allerede signert en kontrakt om installasjon av HighLift hos Friesland Campina i Nederland, som er Europas 5. største meieri. De skal bruke teknologien vår for å redusere CO₂- utslippet sitt fra utgangen av dette året.

– Jeg er veldig optimistisk nå når vi sammen med Astra Zeneca har fått has på utfordringene vi har hatt. Teknologien er patentert, så vi er i en god posisjon for å kunne produsere store volumer i årene som kommer, sier Myrvang.

Artikkelen ble først publisert i TU-magasinet, nr. 5/2023