ヒートポンプ：世界のエネルギー事情を変える

ヒートポンプ技術は、従来であれば廃熱となっていた熱を回収、昇圧、再利用するために、世界中の多くの分野で、広く使われるようになってきています。このアップサイクルによって加熱コストを大幅に削減し、化石燃料への依存度を下げることができるのです。大規模に適用すれば、経済的にも環境的にも大きなメリットが得られます。

近年、GEAは食品加工工場、飲料・酪農施設、醸造所、冷蔵倉庫、地域暖房計画やその他の施設にアンモニアベースの加熱・冷却技術を導入しています。

なぜアンモニアなのでしょうか？

アンモニアの熱力学的効率は非常に経済的な選択であり、コンプレッサー技術の向上により、アンモニアヒートポンプは以前よりも高い温度を生成できるようになりました。

地域エネルギーネットワークや食品工場など、暖房と冷房の両方が必要な大規模施設では、アンモニアヒートポンプ技術は、合成冷媒を使用する場合と比較して、エネルギー消費を40％削減し、コストを最大40％削減、しかも排出量も40％削減することができます。

暖房と冷房のための熱回収

カナダの大手冷却・加熱サプライヤーは、環境にやさしい冷暖房の普及を目指し、GEAの技術を導入して557,000平方メートル（600万平方フィート）の建物スペースに地域冷暖房を供給するという意欲的なプロジェクトに着手しました。

これらの広範な要件を満たすため、GEAは GEA RedGeniumヒートポンプ2台をオンタリオ州の現場にカスタム設計して納入し、各ヒートポンプが2メガワット（冷凍569トン）の85°C（185°F）の温水と4.4°C（40°F）の冷水を冷房要件として供給しました。

ハイドロフルオロカーボン（HFC）のような従来の合成冷媒は環境に有害であることが知られていますが、新システムは自然冷媒のアンモニアを使用しています。これは、オゾン層破壊係数がゼロです。

持続可能な効率

RedGeniumヒートポンプの心臓部には、超高圧GEA V XHPレシプロコンプレッサーが搭載されています。最大水温95°C（203°F）、最大設計圧力63 bar（914 psi）の大容量範囲を供給できるこのアンモニアベースのシステムは、クラス最高の性能を提供します。消費電力が大幅に低く、アンモニアが比較的安価に入手できるため、総所有コストの削減につながります。

その後、このシステムは（理想的には再生可能な）少量の電力を使って、回収した熱を昇圧します。可変周波数ドライブが電気モーターを作動させ、高効率のプレートアンドシェル熱交換器により、システム全体が最高水準の持続可能性を実現することができます。

マース社でヒートポンプが排出ガスを削減

大手製菓メーカーのマース社は、世界最大のチョコレート工場の 1 つであるオランダのウェフヘル工場に、GEAのアンモニアヒートポンプソリューションを導入しました。施設における省エネルギーおよびエネルギー管理の解析結果を受け、ヒートポンプシステムを設置することでMarsの業務全体のエネルギー効率を大幅に促進し、排出量削減への取り組みを支援することになることがわかりました。

お客様に合わせたGEAヒートポンプソリューションはGEA V HP レシプロコンプレッサーをベースにしており、冷却ユニットからの利用できない低温熱を抽出して上昇させ、水の加熱に使用することができます。冷却ユニットから取り出された熱は熱交換器を通過し、水最高を63°C（145°F）まで加熱することができます。

この水は、工場の屋上に特別に設置された温水配管網を通り、そこからチョコレートやシロップの貯蔵、空気処理装置など、工場内のさまざまな場所に送られます。ヒートポンプによって節約される熱量は、ガス換算で約26テラジュールに相当し、年間約1,000トンのCO2排出量に相当します。

Marsが別の施設にもヒートポンプを設定する計画を進めています。廃熱の再利用は、2040年までにエネルギーニュートラルになるという同社の目標を達成するための主な要因の一つであるためです。 

ジュース製造に革命を起こす

完全にカーボンニュートラルなジュース工場を建設するという大規模な試みの一環として、スムージーとジュースのブランドであるInnocent社は、新工場の持続可能な加工、加熱・冷却技術の提供をGEAに委託しました。GEAがこのプロジェクトに早くから参加したことで、当初から数々の革新的なプロセスを導入することができ、Innocent社は持続可能性の目標達成に向けて大きく前進することができました。

Innocent社の省エネ設定の中心にあるのは、GEAのヒートポンプです。システムを統合して最大の効率を得るために、GEA社は、洗浄のために65°C（149°F）に設定した加熱回路と、低温殺菌や滅菌のために90°C（194°F）に設定した加熱回路の2つを使い分けることを助言しました。ヒートポンプは、作業中に発生する廃熱から水を加熱するために組み込まれました。GEAは、グリーンエネルギーが供給される電動蒸気発生装置を使用できる程度まで、蒸気の量を最小限に抑える必要がありました。 

「従来、飲料製造では蒸気を媒体として100°C（212°F）以上の熱を供給していました」と、GEA のグローバル技術持続可能性マネージャーであるRobert Unsworthは述べています。しかし、それに疑問を感じました。現在、蒸気を必要とするのは滅菌だけで、それは熱のほんの一部にすぎません。」このようにUnsworth氏は述べています。「熱交換器の原理を最大限に活用することで、再利用を大幅に促進させ、未使用の蒸気に浪費される膨大な量のエネルギーを制限しました」　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　熱交換器の原理を最大限に活用することで、熱の再利用という点で信じられないほどの利益が得られ、以前は未使用の蒸気に浪費されていた膨大な量のエネルギーが大幅に削減されました。

このプロジェクトは、欧州ヒートポンプ協会（EHPA）のピープル・チョイス・アワードで金賞を受賞した。 このプロジェクトは、欧州ヒートポンプ協会(EHPA)のピープルズチョイスアワードで金賞を受賞しました。「GEAには脱帽です。GEAはあらゆる段階で私たちの側にいて、従来の設計手法に挑戦する手助けをしてくれました」と、Innocent drinks Europe の元オペレーションディレクター、Andy Joynson氏は述べています。「全ての細かな細部の積み重ねが大きな成功をもたらします。私たちは、同規模のプラントを稼働させるのに必要なエネルギー需要の60％程度で操業しています。これは大きな違いです。」

Wipasz鶏肉工場での複合ソリューション

ポーランド最大の飼料メーカーの1つであり、鶏肉の生肉生産のリーダーでもあるWipasz SAでは、大規模で複雑なソリューションが必要でした。ポーランド人民共和国のミェンヅィジェツ・ポドラスキの新しい鶏肉工場で同社は、より持続可能でエネルギー効率の高い製造を実現するためのソリューションを求めていました。

Wipasz S.A.のテクニカルディレクターであるAndrzej Wachink氏は言います。「新工場は非常に広大で、実に近代的です。当社は GEA に次の 3 つの課題を設定しました。それは、プラント内を低温に保つこと、温水を生成するために使用するボイラーのエネルギー消費を削減するために廃熱を回収すること、特に食肉処理の解体エリアで適切な換気を考案することです」

また、0°C（32°F）で新鮮な流通用に梱包された製品、-18°C（0°F）で冷凍された残りのバッチ製品、およびチキンナゲットなどの輸出製品や高度処理製品では、冷凍・冷却プロセスは極めて温度に敏感です。 

このプラントの様々な要件を満たすために、GEA は、5 つのプレートフリーザー、5 つのバッチ冷凍トンネル、2 つの冷蔵倉庫、および 64 のエアクーラーのために 5.3 メガワット（1,507 トンの冷凍）の冷却能力を設計、運営、提供しました。これらの機器には、GEA レシプロコンプレッサーユニット - プラント空調用 Grasso レシプロコンプレッサー V1800、鶏肉のメイン冷却プロセスを駆動する Grasso スクリューコンプレッサー SP1、および水、空調の加熱エネルギーを冷凍、生成する Grasso スクリューコンプレッサー SP2 が含まれます。 

さらに、同社は、製造室の換気用にエアハンドリングユニットを 8 台、オフィス建物の空調用に空調ユニット 4 台を設置しました。これらのすべては、中央アンモニアプラントからの冷却エネルギーと、同プラントからの熱回収エネルギーを利用します。Wipasz 社では、同社施設の温水需要およびオフィスや社交エリアを含む他の加熱エネルギー需要をカバーする 2 つの熱回収システムが装備されていました。つまり、ボイラーの必要性がないため、二酸化炭素排出量の削減と非常に高い投資収益率を達成できることを意味します。

ヒートポンプを冷却ユニットと組み合わせると、冷却と加熱の両方が可能になり、1 回の使用が連続サイクルになり、エネルギーコストを 40% 以上削減できます。これは、食品業界、酪農業界、飲料業界では、エネルギー使用量の最大 60% が加熱・冷却に費やされていることを考慮すると、かなりの節約になります。Wipasz 社のような鶏肉工場は、製造工程において熱回収とヒートポンプを利用することの大きな経済的利益と環境保全上の利点を理解しています。特に、調製中とその後の冷却・冷凍中に加熱を行う必要がある鶏肉工場はその利益と利点を理解しています。

将来を見据えた加熱と冷却ソリューション

GEAが世界中の施設に設置しているヒートポンプは、正確な温度要件を満たすようにカスタム設計されており、アンモニアの長い寿命のおかげで、今後何年にもわたって将来性を保証することができます。他の冷媒の寿命が10年程度であるのに比べ、アンモニアシステムは30年から40年、場合によってはそれ以上安全です。

温室効果ガスの排出量削減のためにフッ素系ガスが世界中で段階的に廃止される中、アンモニアなどの自然冷媒の採用がますます進んでいます。グリーンエネルギーソリューションへの需要が拡大するにつれ、アンモニアヒートポンプは現在、世界中の熱エネルギー施設や製造施設に普及しています。