Meieriindustrien er i stor grad avhengig av kjøling for å opprettholde produktkvalitet og mattrygghet gjennom hele produksjonskjeden. Etter hvert som sommertemperaturene øker og produksjonsvolumene vokser, opplever meieriene et økende kjølebehov og mer uttalte effekt- og belastningstopper. Disse utfordringene er særlig relevante i områder med begrenset nettkapasitet eller høye strømpriser, der effektiv energibruk blir stadig viktigere.
Dette prosjektet, gjennomført av SINTEF Ocean i samarbeid med Rørosmeieriet AS, undersøkte hvordan termisk energilagring av kulde kan forbedre energieffektiviteten og den operasjonelle fleksibiliteten i meieriers kjølesystemer. Arbeidet hadde særlig fokus på bruk av isslurryteknologi som et alternativ til konvensjonelle kjøleløsninger, med mål om å redusere effekttopper i kjølebehovet, øke systemets energieffektivitet og legge til rette for fremtidig produksjonsøkning.
Bakgrunnen for utfordringen
Melk må holdes ved lave temperaturer gjennom hele verdikjeden. Under normale forhold ankommer melken meieriet med en stabil temperatur, men i perioder med høye utetemperaturer øker kjølebelastningen ved melkemottaket. Slike midlertidige effekttopper kan belaste kjøleanleggene betydelig og i ytterste konsekvens begrense produksjonskapasiteten.
Tradisjonelt dimensjoneres kjøleanlegg for å kunne håndtere de høyeste forventede belastningstoppene, selv om disse forholdene bare oppstår noen få dager i året. Dette fører til overdimensjonerte anlegg som ofte må operere utenfor sitt optimale virkningsområde.
Termisk energilagring som løsning
I stedet for å øke kapasiteten på kjøleanlegget undersøkte prosjektet om termisk energilagring kunne brukes til å frikoble produksjonen av kulde fra det faktiske kjølebehovet. Ved å produsere og lagre kulde i perioder med lavere belastning, for eksempel om natten, kan den lagrede kulden senere brukes til å dekke kortvarige effekttopper ved melkemottak og videre prosessering.
To lagringsteknologier ble evaluert:
- Isslurry, basert på en blanding av fine iskrystaller og vann produsert ved hjelp av superkjølingsteknologi.
- Pillow-plate, der faseendringsmaterialer fryser og smelter mellom varmevekslerplater.
Begge teknologiene utnytter latent varmelagring, noe som gjør det mulig å lagre store mengder kjøleenergi i et relativt lite volum.
Viktige resultater
Ved å bruke driftsdata innsamlet ved Rørosmeieriet kvantifiserte prosjektet kjølebehovet og evaluerte ytelsen til de ulike lagringskonseptene.
Resultatene viste at termisk energilagring kan redusere den nødvendige kjølekapasiteten betydelig:
- Beregningene viser at kjøleanlegget uten energilager måtte vært dimensjonert til omtrent 161 kW for å kunne håndtere de største effekttoppene.
- • Med termisk energilagring kunne den nødvendige kjølekapasiteten reduseres til rundt 33 kW, noe som tilsvarer en reduksjon på omtrent 80 %.
Av de undersøkte alternativene viste isslurry-systemet den beste samlede ytelsen.
Viktige funn inkluderer:
- Høyere energieffektivitet sammenlignet med de undersøkte pillow-plate-løsningene.
- En beregnet system-COP på 2,48, mot 2,29-2,39 for pillow-plate-systemene.
- Et moderat behov for lagringsvolum på 16 m³.
- Bruk av vann som primært lagringsmedium.
- Bedre muligheter for å drive kjøleanlegget nær sitt optimale driftspunkt over lengre perioder.
Pillow-plate-systemene ble vurdert som teknisk gjennomførbare i dag og kan være fordelaktige der tilgjengelig installasjonsplass er begrenset. Ytelsen deres viste seg imidlertid å være sterkt avhengig av driftstemperatur, egenskapene til faseendringsmaterialet og tilgjengelig varmeoverføringsareal.
Hovedkonklusjoner
Studien viser at termisk energilagring er en lovende strategi for å tilpasse meieriers kjølesystemer til varmere somre og økende produksjonsvolumer. I stedet for å kontinuerlig øke kapasiteten på kjøleanleggene, kan meierier forbedre både energieffektiviteten og fleksibiliteten i systemet ved å lagre kulde og bruke den når kjølebehovet er størst.
For den undersøkte anvendelsen fremsto isslurryteknologi som den mest lovende løsningen, takket være kombinasjonen av høy energieffektivitet, kompakte lagringsbehov og stor operasjonell fleksibilitet.
Neste steg
Prosjektet representerer et viktig første skritt mot implementering av avansert termisk lagring av kulde i meierisektoren. Videre arbeid bør omfatte mer detaljerte analyser av investerings- og driftskostnader, samt verifisering av løsningene under fullskala produksjonsforhold.
En pilotinstallasjon av et isslurry-system vurderes som et særlig relevant neste steg for å dokumentere de beregnede fordelene under reelle driftsforhold og legge til rette for bredere bruk av teknologien i næringsmiddelindustrien.