Kylmäenergian varastoinnin haasteet elintarvikeprosessissa
Energiakriisin myötä tarve tutkia vaihtoehtoisia kylmäenergian varastointitekniikoita osana elintarvikeprosessia kasvaa. Korkeat sähkön hinnat ovat nostaneet jäähdytyksestä aiheutuvia kustannuksia ja näin ollen laskeneet toiminnan kannattavuutta. Elintarvikkeiden pakastusprosessia on mahdollista optimoida asentamalla kylmävarasto osaksi jäähdytysjärjestelmää. Tehokkaat varastointiratkaisut tukevat energiajärjestelmän tasapainottamista. Kylmävaraston avulla optimaalisin hyöty saavutetaan, jos pakastusprosessit voivat hyödyntää yöaikaan tuotettua sähköä käyttöenergiakseen.
Energian varastointitekniikkaa valittaessa otetaan erityisesti huomioon soveltuvuus käyttökohteeseen ja sen kannattavuus. Kylmäenergian varastoinnissa on haasteita, kuten energiavarastojen kalliit investointikustannukset ja pakastustason lämpötiloille soveltuvan välittäjäaineen löytäminen. Energian varastointiteknologioiden uskotaan yleistyvän tulevina vuosina, mutta vielä energiavarastoiden kehitys on ollut hidasta, ja niiden kasvussa on eroavaisuuksia maiden välillä.
Varastointitekniikat
Energian varastointiin liittyvä teknologia on herättänyt kiinnostusta energia-alalla, koska energiavarastot tarjoavat joustavuuden käyttää sähköä silloin, kun se on markkinoiden halvinta. Jäähdytystarpeen kasvaessa varastoitua energiaa voidaan käyttää elintarvikkeen pakastamiseen. Kylmäenergian varastoinnissa voidaan hyödyntää eri tekniikoita, jotka esitetään kuvassa 1.
Haasteet
Sähköntuotannon tasaamisen ja taloudellisen säästön saavuttamisen lisäksi energian varastoinnissa on monia haasteita. Jäähdytys- ja pakastusprosesseissa tyypillisenä haasteena on, että kylmän tuottaminen kasvattaa sekä kustannuksia että sähkön kulutusta. Pakastuslämpötilan tuottaminen on haastavaa, koska matalissa lämpötiloissa toimivia materiaaleja on kaupallisella tasolla rajallisesti saatavilla. Tämä poissulkee monen potentiaalisen varastointitekniikan hyödyntämisen. Esimerkiksi vesivaraajia ei voida käyttää, koska ne eivät sovellu pakastustason lämpötiloille.
Korkeat sähkön hinnat ovat nostaneet jäähdytyksen tuotantokustannuksia. Tämä luo tarpeen selvittää mahdollisia tapoja hyödyntää huippukulutuksen ulkopuolella tuotettua energiaa. Sähkön hinnan jatkuva muuttuminen luo haasteita, koska on vaikeaa arvioida tarkasti, kuinka paljon kylmäenergian varastoinnilla saavutetaan säästöjä. (Jaakkola 2023.)
Absorptiojäähdyttimet tuottavat jäähdytystä hyödyntämällä lämpöä laitteiston käyttöenergiana. Käytettäessä hukkalämpöä käyttölämpönä on absorptioprosessi halpa tapa tuottaa jäähdytystä. Jos taas absorption vaatima käyttöenergia tarvitsee tuottaa erikseen, absorptiojäähdytin ei ole kovin edullinen tuotantotapa.
Faasimuutosmateriaalit ovat edistäneet kylmä- ja lämpövarastointiteknologian kehitystä. Niiden käyttö perustuu kykyyn sitoa ja vapauttaa energiaa vakiolämpötilassa. Kuvassa 2 esitetään malli kylmäenergian varastoinnista faasivaraajaan. Faasimuutosmateriaaleilla saadaan tilavuutta pienemmäksi, mutta niiden hinta suhteessa saavutettavaan käyttökustannussäästöön on liian alhaisella tasolla. Lisäksi matalassa lämpötilassa toimivien faasimuutosmateriaalien saatavuus on rajallista. (Jaakkola 2023.)
Elintarvikkeiden jäähdytyksessä ja pakastuksessa käytetään kylmäaineita, jotka soveltuvat alle 0°C höyrystymislämpötiloille. Esimerkiksi hiilidioksidilla ja ammoniakilla ympäristövaikutukset ovat vähäiset, ja ne soveltuvat käytettäväksi sekä kylmä- että pakastevarastojen lämpötiloissa. Jos tarkoituksena on tuottaa -40°C lämpötilataso, kaikki kylmäaineet eivät sovellu riittävän mataliin olosuhteisiin. Kylmäaineilla on omat haittapuolensa liittyen niiden termodynaamisiin, kemiallisiin tai fysiologisiin ominaisuuksiin. Esimerkiksi ammoniakki on myrkyllinen ja helposti syttyvä aine kun taas hiilidioksidilla on korkea kriittinen paine. (Jaakkola 2023.)
Yhteenveto
Varastoitaessa energiaa matalaan lämpötilaan pitää selvittää potentiaalinen välittäjäaine, johon sidotaan jäähdytysenergiaa yöaikaan. Tätä energiaa elintarvikeprosessit hyödyntävät päivisin pakastamiseen sopivien lämmönvaihdinmenetelmien kautta. Tekniset ratkaisut energian varastointiin ovat jo olemassa. Tarvitaan edelleen lisätutkimusta varastointitekniikan käyttäytymisestä, jotta varmistetaan tekniikan toimivuus ennustetulla tavalla. Energiavarastoiden kehitys on ollut vielä toistaiseksi hidasta, ja syy tähän löytyy taloudesta. Suurimpana esteenä kylmävarastoinnin nopealle kasvulle ovat järjestelmien investointikustannukset, sillä varastointimenetelmät ovat edelleen liian kalliita suhteessa niistä saavutettavaan hyötyyn. Kylmävaraston todellinen potentiaali tulee esille tilanteessa, jossa voidaan löytää energian varastoinnin lisäksi muita käyttötarkoituksia. Hyvä esimerkki on osallistuminen sähkön säätömarkkinoille.
Lähteet
Jaakkola, M., 2023. Kylmäenergian varastointi: Kylmävarasto osana pakastusprosessia. Opinnäytetyö.
Verpe, E.H., Tolstorebrov, I., Sevault, A., Hafner, A., Ladam, Y., 2019. Cold thermal energy storage with low-temperature plate freezing of fish on offshore vessels. International Institute of Refrigeration.