Det finnes noen magiske grenser for hvor mye energi vi kan få ut av en varmepumpe. Denne fortellingen handler om det å finne lure måter å pushe tekniske grenser på. Få mer energi ut enn du putter inn. Og hvordan SINTEF, fornybar-selskapet Aneo og Felleskjøpet sammen klarte å løfte en god ide: Å ta gjenvinning av prosessvarme fra teoretiske beregninger på forskernes notatblokker, til å bli et industriprosjekt som hver dag sparer masse strøm.
Prosjektet er beskrevet som et vågestykke av fagfolk: Ingen har tidligere turt å kombinere de to systemene sammen på denne måten, og i en slik skala.
Norges største kjøkken?
På Skansen i Trondheim ligger de karakteristiske siloene. Ved siden av dem finner du fôrfabrikken. Store deler av maten til folk som bor nord for Dovre er avhengig av at kraftforet som lages her når ut til bønder i regionen. Fabrikken produserer omkring 200 000 tonn hvert år. Dette tilsvarer omkring 300 millioner brød og kan sies å være et av Norges største og viktigste kjøkken.
Bygningene til Felleskjøpet i Ila i Trondheim er blant de største byggene i Norge. Foto: Felleskjøpet
Nasjonal fôrbinge
Industrianlegget til Felleskjøpet er digert:
• Det har over 1300 elektriske motorer i drift.
• Det er over 500 ulike rom for prosessmaskiner og kontrollrom i anlegget.
• Siloen er over 70 meter høy og kan romme råvarer for omkring 300 millioner kroner.
• På en vanlig dag kjøres det ut 40 vogntog med ferdigvare fra fabrikken på Skansen.
Med andre ord: Her er det ganske store forhold.
Nå har anlegget fått en varmepumpe. Men for å matche størrelsen på behovet, så snakker vi ikke om en som vanlige hus har stikkende ut på stueveggen. Dette er en gigantisk varmepumpe som minner mer om innmaten i maskinrommet på et stort skip – med digre rør, kompressorer, ventiler og koblinger.
Tre store rom fyller den. For helt ulike prosesser, som i sum lar Felleskjøpet samle opp og gjenbruke all spillvarmen som slippes ut i produksjonen av kraftfôr.
Selve produksjonen av kraftfôret er som om en Michelinrestaurant ble drevet som et gigantisk storkjøkken. Hver enkelt ingrediens måles nøye opp og blandes, males og varmebehandles under streng kontroll.
Christian Schlemminger fra ANEO og Ole Marius Moen fra SINTEF Energi diskuterer teknologien i varmepumpa Frigg. Foto: Hege Tunstad
Presisjon i hver pellets
Felleskjøpets fôrutviklingsavdeling er nemlig feinschmeckeravdelingen for dyrenes frokostblanding. Men før kylling og kyr kan kose seg med kraftkosten, har den passert ekstreme kvalitetskontroller, og blitt finjustert av folk med både gårdsoppvekst og gylne doktorgrader. Og dette gir dyrisk god gastronomi.
Det er nemlig ikke tilfeldig hva norske dyr får servert.
Som å steke pizza på 15 sekunder
Vebjørn Nilsen er teknisk sjef i Felleskjøpet, og forklarer hva som står på spill.
– Råvarene faller ned i en mikser der damp injiseres og temperaturen må treffe foret slik at det garanteres over 81 grader celsius, forteller han.
– Det kan ikke være mer enn én grads avvik. Blir det for varmt, blir noen næringsstoffer ødelagt. Og blir temperaturen for lav, kan bakterier slippe gjennom, og dyr og mennesker kan bli utsatt for Salmonella.
Michael Bantle er daglig leder i Aneo Industry, og setter det i perspektiv:
– Produksjonslinjen her behandler 20 tonn produkt i timen, og hvert parti har 15 sekunder på seg i mikseren for å nå eksakt riktig temperatur. Hjemme bruker du 15 minutter på å steke en pizza, sier han.
Maskinen er rigget slik at hvis temperaturen er feil i bare ti sekunder, stopper hele anlegget automatisk.
Varmepumpa Frigg strekker seg over flere rom, og er nå skjult av vegger – for både sikkerhet og lyddemping. Foto: Hege Tunstad
Slapp verdifull damp rett ut over taket
Etter dampbehandlingen presses blandingen til pellets – først lange staver, som så kuttes til jevne biter. Når de kommer ut av pressen er de varme og fuktige, og må avkjøles. Så faller de ned i en kjøletunnel der kaldere uteluft tar opp fuktigheten og kjøler pelletsene ned til lagringsklar temperatur.
Pelletsene som kommer ut er ikke bare perfekt varmebehandlet og hygienisert. De er hardere, seigere og smuldrer mindre enn før. Presisjonsvarmingen har gitt mer presis pakking av næringsrike ingredienser.
– Vi klarer å måle at det er bedre ferdigvarekvalitet, forteller Nilsen. – Dette startet som et energiprosjekt. Det ble også et kvalitetsprosjekt.
Og den varme, fuktige luften som blir igjen etter jobben? Den har tradisjonelt blåst rett ut over taket og forsvunnet.
– Det var som å åpne døra til badstua for å kjøle ned glovarme stakkarer. Det er mye varme rett ut over taket!
Det er her historien begynner å handle om noe annet enn presisjonsproduksjon av dyremat.
Michelin-mat, men ikke for mennesker. Christian Schlemminger vurderer å smake på kraftforet som nylig er presset til stabile pellets. Runar Myhren fra Felleskjøpet nøyer seg med å fortelle om kvaliteten. Foto: Hege Tunstad
Vebjørn Nilsen har vandret lenge på gulvet og spekulert på all den varmen som slippes ut uten å komme til nytte.
– Jeg syntes det var veldig dumt, forteller Nilsen.
– Jeg har tenkt på dette i over 20 år, men det har vært en lang vei frem for å finne en løsning som virker. Spørsmål om hva som finnes av teknologi, og hvordan vi kan få til å bruke dampen til noe fornuftig. Jeg fikk heldigvis kontakt med folk som kan mye mer enn meg, med kombinasjoner innen varmepumpeteknologi. Og nå har vi endt opp med å kjøre dampen tilbake inn igjen i vår prosess.
Dette er det ingen som har gjort før i denne bransjen.
Genistreken på 80-tallet
Vi må ta et steg tilbake i historien, for parallelt med alt dette har SINTEF og NTNU i over førti år utviklet varmepumpeteknologi med naturlige kjølemidler. Ole Marius Moen er forsker ved SINTEF Energi, og forteller om denne teknologihistorien.
– Det var et valg tatt på 1980-tallet som ga hele dette prosjektet sitt fundament, forklarer han. En genistrek fra før verden ble enige om at KFK-gasser var skadelige for ozonlaget og måtte forbys.
For mens kjemikalieindustrien og store deler av industrien satset på nye syntetiske, fluorholdige erstatninger, som senere har vist seg å ha skadelige effekter, valgte forskningsmiljøet i Trondheim en annen vei i samarbeid viktige industriaktører.
– Helt siden åttitallet har det vært en overbevisning i SINTEF og NTNU, at vi ikke jobber med syntetiske kuldemedier, forteller han.
Ole Marius Moen og Christian Schlemminger studerer tekniske detaljer på varmepumpa Frigg
Foto: Hege Tunstad
Det var et omdiskutert standpunkt på 1980-tallet, men så viste det seg å være smart, og nå har store deler av verden funnet det samme ståstedet. Resultatet er at Trondheim er et verdensnav for kuldeteknikk med naturlige kjølemedier. Og dette ble også løsningen for Felleskjøpets varmegjenvinning.
– Løsningen hadde kanskje ikke sett sånn ut hvis det ikke hadde vært for forskningen i SINTEF og NTNU, sier Moen.
Presser termofysikken til grensa
Michael Bantle og Christian Schlemminger jobbet i årevis som forskere hos SINTEF Energi, og tok høytemperatur-varmepumper fra teori til virkelighet. I 2019 viste de at det var mulig å nå 120 grader med naturlige kuldemedier. I 2021 gikk de enda lenger og klarte å få en varmepumpe til å nå 180 grader. Så byttet de side av bordet, og begynte i industrien. Nå er de i Aneo Industry.
Michel Bantle som SINTEF-forsker i 2014: Prosjektet gjaldt å bruke en varmepumpe til å tørke pinnekjøtt med minst mulig energi. Foto Thor Nielsen
Ole Marius Moen, som fortsatt er hos SINTEF, oppsummerer det med et smil:
– Bra for industrien. Litt synd for oss i SINTEF som mistet to solide forskere, men de slutter jo ikke å bidra til utviklingen. Tvert imot.
SINTEF har dermed bidratt to ganger til prosjektet hos Felleskjøpet: først med forskningen som gjorde Frigg mulig, så med menneskene som fikk den tatt i bruk.
Fyrer ikke lenger for kråka
Når kraftfôrpelletsene kommer ut av pressen, er de varme og fuktige. De må kjøles ned før de kan lagres, og det skjer ved at kald uteluft blåses inn gjennom en kjøletunnel. Luften som da kommer ut på den andre siden er rundt 65 grader og stappfull av fuktighet. Det er denne varme luften Vebjørn Nilsen har gått og sett på i årevis, og tenkt at den burde kunne brukes til noe mer enn å bli blåst rett ut over taket. Det er også denne varme, fuktige luften som er varmepumpa Friggs råstoff.
Slik fungerer kjempevarmepumpen Frigg:
Frigg tar imot avtrekksluften og leder den gjennom en varmeveksler, der varmen overføres til et lukket rørsystem som transporterer den til ammoniakkdelen av varmepumpen.
Når ammoniakken fordamper inne i varmepumpen (Ammoniakk har et kokepunkt på minus 33 grader under normalt trykk), suger den til seg varme fra avtrekksluften. Men ikke bare følbar varme, den får med seg energien som frigjøres når fuktigheten i luften kondenseres ut til vann.
I denne prosessen hentes energien fra selve faseovergangen. Dette er litt av magien.
Amoniakkgassen komprimeres deretter i to trinn. Trykket stiger, og kokepunktet stiger med det. Når ammoniakken kondenserer tilbake til væske, så gir den fra seg varme på omtrent 85 grader. Men prosessen på fabrikken trenger damp på enda høyere temperatur. Ammoniakk kan ikke ta oss hele veien dit. Det trengs et annet kuldemedie for å løfte temperaturen til nye høyder, og løsningen falt på vanndamp.
Ammoniakk er det naturlige kuldemediet som er mest utbredt til industriell kjøling og oppvarming, og det finnes allerede fullt fungerende kommersielle løsninger for dette.
Når man jobber med temperaturer over 100 grader blir vann et attraktivt arbeidsmedium. Det forskerne har gjort er å koble disse to stegene.
Triksing med trykk og temperatur
Etter ammoniakksyklusen har løftet temperaturen litt, tar vanndampsyklusen over. Vann koker ved 100 grader under normalt trykk, men øker du trykket, stiger kokepunktet. En egen type kompressor tar dampen som allerede er produsert i bunnsyklusen og komprimerer den videre i flere trinn. Også her stiger trykket, og temperaturen med den, og lager dampen som leveres til mikseren i fabrikken.
Det kreves ganske mye energi å bryte bindingene mellom vannmolekyler og gjøre dem til gass: For å varme vann fra null til 99 grader trenger du én mengde energi. For å ta det siste steget, fra 99 grader flytende vann til 100 grader damp, trenger du faktisk over fem ganger så mye. Temperaturen endrer seg med bare én grad, men molekylene må løsrives fra hverandre fullstendig, og det er hardt arbeid i fysikkens verden.
Når denne vanndampen kondenserer tilbake til vann, slippes omtrent den samme energimengden løs igjen, og vi kan bruke den. Hele to tredjedeler av den tilgjengelige energien ligger i luftfuktigheten.
Prosjektet har fått 9,17 millioner i støtte fra Enova gjennom ordningen "Pilotering av ny energi- og klimateknologi" .
En kilowatt inn – over tre ut
Det geniale er at spillvarmen både blir et råstoff som går tilbake i systemet, og samtidig forklaringen på at det blir så effektivt. For hver kilowatt strøm Frigg bruker, leverer hun over tre kilowatt varme tilbake til produksjonslinjen.
– Når du kjøper en varmepumpe i huset ditt, har den en COP-faktor (coefficient of performance) – den angir hvor mye varme den kan levere sammenlignet med hvor mye strøm du bruker. Typisk ligger den på omtrent tre. Frigg gjør det samme i industriell skala, sier Moen.
Det høres naturstridig ut. Tenk på en vedovn: du putter inn treverk, får litt varme ut, og sitter igjen med aske. En varmepumpe gjør noe fundamentalt annerledes – den bruker litt strøm til å la maskineriet sjonglere med fysikkens lover, og la energien i omgivelsene jobbe med seg. Det som ellers ville ha vært spillvarme og damp på vei ut over taket, blir sugd inn i energiregnskapet og satt i arbeid igjen.
Magisk matchmaking i mekanikken
De to varmepumpesystemene som brukes i Frigg har eksistert hver for seg i industrien i mange år. Å sy dem sammen krever presis forståelse av hva som skjer i overgangen mellom der ammoniakksyklusen slipper tak i varmen og vanndampsyklusen overtar den. I tillegg skal systemene prestere så bra sammen at de kan utkonkurrere andre alternativer.
– Jo større temperaturforskjellen er mellom der du henter varmen og der du skal levere den, jo mer energi koster løftet. Med et løft på 100 grader sier termodynamikken at den maksimale COP-en du kan oppnå er fire. Hadde temperaturløftet vært 60 grader i stedet, hadde den vært seks eller sju, forklarer Moen.
COP-faktor (coefficient of performance) som funksjon av temperaturløft. Her antas kondenseringstemperatur på 120 grader. Den grønne grafen viser den maksimale COP som kan oppnås, også kjent som Carnot COP. Den oransje og blå grafen viser COP’en som typisk oppnås i industrielle varmepumper. Frigg (gul boble) presterer uvanlig bra. Grafikk: Ole-Marius Moen
– Bedre enn vi trodde
Michael Bantle er daglig leder i ANEO Industry, og har jobbet med dette fra det var på idéstadiet. Han er også en av dem som regnet på hvor bra de trodde varmepumpa Frigg ville klare å levere.
– Vi garanterte for en COP på 2.5, men vi har faktisk klart over tre. Vi presser termodynamikken helt på grensa her, det er det som gjør det så gøy, sier han.
– Det er veldig kult når vi ser at vi kan levere bedre enn vi trodde.
Nå ruller Felleskjøpet ut flere prosjekter for å fortsette energisparingen.
