Τεχνολογία μεμβρανών για μονάδες εμπορίας αέρα

21/09/2022

Thanks to its unique membrane technology, the eFRM HEPA filter medium has been the medium of choice for numerous end users in the life science and microelectronics industries for several years. In addition to the low pressure drop, the focus in these segments is on risk minimization through high mechanical stability and chemical resistance.

Due to the extremely low pressure drop, the eFRM filter medium is predestined for use in high-flow HEPA filters such as those used in ventilation systems for high-purity environments. To investigate this application, a test was conducted under real outdoor air conditions. For this purpose, eFRM HEPA filters were subjected to a "1000 days" long-term test in parallel to conventional glass fiber HEPA filters in a two-stage filter system using the AAF test container. After a description of the test container, the article deals with the short- and long-term behavior of the filters.

On a short-term time scale, interesting correlations between the relative humidity and the pressure drop of the HEPA filters can be seen. On the long-term scale, the advantage of the low pressure drop of the eFRM HEPA filters is shown to be maintained even when 100% fresh air is used. Furthermore, the paper discusses the economic implications resulting from the favorable pressure drop characteristics of eFRM HEPA filters compared to glass fiber-based HEPA filters.

For this purpose, the operating costs as well as the "Total Cost of Ownership" are discussed, especially against the background of the differently increasing electricity costs in different countries. The energy costs from the end of 2021, on which this paper is based, now have to be adjusted upwards on a monthly basis, so the current cost benefits of using eFRM HEPA filters are likely to be higher than the values shown.

The carbon footprint during operation of the different filters will also be discussed. Although the carbon footprint (due to nationally different energy mixes) is very different between the countries, eFRM HEPA filters offer a significant advantage over conventional glass fiber HEPA filters. Thus, eFRM membrane HEPA filters are not only an economical, but also an ecologically sound technical solution for particle filtration in high-purity environments.

Δοχείο δοκιμής

Στο δοχείο δοκιμών AAF 40', εγκαθίστανται παράλληλα τέσσερα συστήματα φίλτρων, το καθένα με δύο στάδια. Κάθε σύστημα φιλτραρίσματος διαθέτει ένα συμπαγές προφίλτρο VariCel EcoPak ePM1 55% με μέσο από υαλοβάμβακα στο πρώτο στάδιο. Στο δεύτερο στάδιο, τα παραδοσιακά φίλτρα HEPA με υαλονήματα H14 AstroCel I HC και τα φίλτρα HEPA με μεμβράνη H14 eFRM MEGAcel I εγκαθίστανται σε δύο συστήματα φίλτρων το καθένα. Συνεπώς, ο συνδυασμός φίλτρων είναι ένα φίλτρο ePM1 55%, το οποίο ακολουθείται άμεσα από ένα φίλτρο HEPA H14. Η ροή όγκου παρακολουθείται με στόμια ροής όγκου. Οι πτώσεις πίεσης των στομίων ροής όγκου καθώς και των αντίστοιχων βαθμίδων φίλτρου παρακολουθούνταν εξ αποστάσεως με το σύστημα AAF Sensor360^®. Στο σύστημα Sensor360^® ήταν επίσης συνδεδεμένος ένας εμπορικός αισθητήρας σωματιδίων PM2,5 στην είσοδο αέρα του δοχείου. Εκεί ήταν επίσης εγκατεστημένος ένας καταγραφέας δεδομένων για τη θερμοκρασία και την υγρασία του αέρα. Η φωτογραφία 3 δείχνει το δοχείο δοκιμής στο εργοστάσιο της Diniar στο Olaine (Λετονία). Οι σωλήνες στην αριστερή πλευρά είναι οι έξοδοι αέρα των τεσσάρων συστημάτων φίλτρων στο εσωτερικό του δοχείου.

Εκτελέσεις δοκιμών

Στο πρώτο μέρος της δοκιμής, το εμπορευματοκιβώτιο λειτούργησε 24 ώρες το 24ωρο στο εργοστάσιο της AAF στο Emmen (Κάτω Χώρες) για 83 ημέρες, ενώ μετά από μια γενική επισκευή, το εμπορευματοκιβώτιο μεταφέρθηκε στο εργοστάσιο της Dinair στο Olaine (Λετονία) και λειτούργησε εκεί 24 ώρες το 24ωρο για 828 ημέρες. Τα φίλτρα λειτούργησαν με ρυθμό ροής 3150 m³/h. Η ροή όγκου ρυθμίστηκε χειροκίνητα όταν ήταν απαραίτητο. Τα προφίλτρα λειτούργησαν μέχρι το όριο φορτίου, σε μία περίπτωση ακόμη και πάνω από αυτό, με αποτέλεσμα να σπάσει το πακέτο φίλτρου. Η απώλεια πίεσης ήταν τότε πάνω από 550 Pa. Η αντικατάστασή τους γινόταν περίπου κάθε 3 μήνες. Με την προσθήκη ενός άλλου προφίλτρου στην περιοχή απόδοσης ePM2,5 ή ePM10, η διάρκεια ζωής του χρησιμοποιούμενου προφίλτρου VariCel EcoPak ePM1 55% compact θα μπορούσε σίγουρα να παραταθεί.

Θερμοκρασία & σχετική υγρασία

Το δοχείο δοκιμής εκτέθηκε σε σημαντικές εποχιακές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας του εισερχόμενου αέρα. Το χειμώνα, οι θερμοκρασίες έφταναν τακτικά τους -10°C, και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη και τους -20°C. Αυτό είχε μερικές φορές ως αποτέλεσμα την παγοποίηση των προφιλτρών (Φωτογραφία 4). Το καλοκαίρι, οι μέγιστες θερμοκρασίες έφταναν τους 35°C. Η σχετική υγρασία ήταν φυσικά χαμηλή το χειμώνα, κάτω από 10%, αλλά έφτανε τιμές έως και 100% το καλοκαίρι. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, η σχετική υγρασία συνήθως συσχετίζεται αμοιβαία με τη θερμοκρασία, δηλαδή μειώνεται καθώς ο αέρας θερμαίνεται κατά τη διάρκεια της ημέρας και αυξάνεται καθώς ψύχεται τη νύχτα.

Συγκέντρωση σωματιδίων

Οι μετρούμενες συγκεντρώσεις σωματιδίων PM2.5 παρουσιάζουν επίσης μεγάλες εποχιακές διακυμάνσεις (σχήμα 1). Η µέση τιµή των PM2.5 ήταν 37µg/m³. Για την κοντινή πρωτεύουσα της Λετονίας, τη Ρίγα, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Περιβάλλοντος αναφέρει μέση τιμή PM2.5 12µg/m3 για την περίοδο 2018- 2020. Και οι δύο μέσες τιμές βρίσκονται στο εύρος >7,5µg/m3 και συνεπώς στο εύρος της κατηγορίας εξωτερικού αέρα ODA 3 (εξωτερικός αέρας με πολύ υψηλές συγκεντρώσεις αιωρούμενων σωματιδίων) σύμφωνα με την οδηγία 4/23-2020 του Eurovent, η οποία λαμβάνει υπόψη τις τελευταίες συστάσεις του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας (WHO global air quality guidelines 2021). Οι μετρούμενες μέγιστες τιμές PM2.5 κυμαίνονται μεταξύ 200-370μg/m³. Δεν μπορεί να αποκλειστεί ότι τα φαινόμενα συμπύκνωσης σε υψηλή σχετική υγρασία συνέβαλαν στις τιμές αιχμής.

Αποτελέσματα δοκιμών

Θερμοκρασία & σχετική υγρασία

Κατά τη διάρκεια της απώλειας πίεσης είναι απαραίτητο να διακρίνουμε τις βραχυπρόθεσμες επιπτώσεις από τη μακροπρόθεσμη εξέλιξη. Οι βραχυπρόθεσμες διακυμάνσεις της πτώσης πίεσης παρατηρήθηκαν συχνά κατά τη διάρκεια της ημέρας (Σχήμα 2).

Προφανής είναι η σημαντική διαφορά πτώσης πίεσης μεταξύ των παραδοσιακών φίλτρων AstroCel I HEPA με ίνες γυαλιού και των φίλτρων HEPA με μεμβράνη MEGAcel I eFRM. Τα φίλτρα από ίνες γυαλιού βρίσκονται σε επίπεδο 400-450 Pa, ενώ τα φίλτρα MEGAcel I eFRM HEPA με μεμβράνη είναι σημαντικά χαμηλότερα στα 180-320 Pa. Διαπιστώθηκε άμεση συσχέτιση μεταξύ της αύξησης της σχετικής υγρασίας και της αύξησης της πτώσης πίεσης. Αυτή η αύξηση της πτώσης πίεσης παρατηρήθηκε τόσο για τα φίλτρα υαλοϊνών όσο και για τα φίλτρα eFRM MEGAcel I. Είναι αναστρέψιμη και στις δύο περιπτώσεις, αλλά είναι ελαφρώς υψηλότερη στην περίπτωση των φίλτρων μεμβράνης eFRM. Οι λόγοι θα μπορούσαν να είναι φαινόμενα συμπύκνωσης στο ίδιο το υλικό του φίλτρου, αλλά εξακολουθούν να αποτελούν αντικείμενο συνεχιζόμενων ερευνών. Από αυτό πρέπει να διακρίνεται η μακροπρόθεσμη εξέλιξη της πτώσης πίεσης.

Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται η μακροπρόθεσμη εξέλιξη της πτώσης πίεσης του παραδοσιακού φίλτρου HEPA από ίνες γυαλιού σε σύγκριση με το φίλτρο HEPA μεμβράνης MEGAcel I eFRM. Η αρχική πτώση πίεσης του φίλτρου HEPA με μεμβράνη MEGAcel I eFRM είναι με 180 Pa μικρότερη από το ήμισυ του παραδοσιακού φίλτρου HEPA με ίνες γυαλιού, η οποία κυμαίνεται στην περιοχή των 380 Pa. Και για τα δύο φίλτρα, υπάρχουν περιοδικές διακυμάνσεις στην πτώση πίεσης, οι οποίες είναι κάπως μεγαλύτερες για το φίλτρο HEPA μεμβράνης MEGAcel I eFRM σε σύγκριση με τα παραδοσιακά φίλτρα HEPA με ίνες γυαλιού. Για λόγους σαφήνειας, οι τιμές στο παραπάνω διάγραμμα είναι ο μέσος όρος μερικών ημερών. Καθώς αυξάνεται το φορτίο, η πτώση πίεσης και των δύο φίλτρων αυξάνεται, αλλά οι τιμές για το φίλτρο HEPA μεμβράνης MEGAcel I eFRM παραμένουν πάντα σημαντικά χαμηλότερες από εκείνες για το παραδοσιακό φίλτρο HEPA με ίνες γυαλιού. Προς το τέλος της δοκιμής, η διαφορά πτώσης πίεσης εξακολουθεί να είναι περίπου 150 Pa.

Πλεονεκτήματα των φίλτρων HEPA με μεμβράνη MEGAcel I eFRM

Συνολικό κόστος ιδιοκτησίας (TCO)

Για τη βελτιστοποίηση του κόστους λειτουργίας ενός συστήματος φίλτρων, το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας TCO πρέπει να ελαχιστοποιηθεί. Αυτό αποτελείται ουσιαστικά από το κόστος επένδυσης CF για τα φίλτρα συν το κόστος ενέργειας για τη λειτουργία του ανεμιστήρα CE, ο οποίος πρέπει να ξεπεράσει την πτώση πίεσης που προκαλούν τα φίλτρα.

Ενεργειακό κόστος

Το ενεργειακό κόστος που δαπανάται για τη λειτουργία του φίλτρου είναι ευθέως ανάλογο με την πτώση πίεσης του φίλτρου:

Δεδομένου ότι σε μια εγκατάσταση φίλτρου οι βασικές συνθήκες, όπως η ροή όγκου, ο χρόνος λειτουργίας, η απόδοση του ανεμιστήρα και το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας, είναι συνήθως δεδομένες, το ενεργειακό κόστος μπορεί να μειωθεί μόνο με την επιλογή ενός φίλτρου με τη μικρότερη δυνατή πτώση πίεσης. Στο σχήμα 4 παρουσιάζεται η εξέλιξη του κόστους ηλεκτρικής ενέργειας σε ορισμένες ευρωπαϊκές χώρες. Διαφέρουν σημαντικά από χώρα σε χώρα. Σε σχέση με την πανδημία COVID, αυξήθηκαν απότομα σε όλη την Ευρώπη το 2021. Αν και υπήρξε μια μικρή ανάκαμψη στις αρχές του 2022, δεν αναμένεται σημαντική ανάκαμψη στο πλαίσιο του ρωσικού πολέμου στην Ουκρανία. Αντιθέτως, το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας αναμένεται να παραμείνει υψηλό, αν όχι να αυξηθεί ακόμη και να αυξηθεί.

Τον Ιούνιο του 2022, σε σύγκριση με τον Ιανουάριο του 2020, το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας ήταν +376% στη Σουηδία, +524% στη Γερμανία και ακόμη +555% στη Γαλλία. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το Σχήμα 4 δείχνει μόνο τις τιμές χονδρικής. Ανάλογα με τον όγκο κατανάλωσης, μπορεί να είναι σημαντικά υψηλότερες για τους εμπορικούς ή βιομηχανικούς πελάτες. Πρέπει επίσης να προστεθούν τα τέλη δικτύου και άλλες χρεώσεις. Κανένα από αυτά δεν λαμβάνεται υπόψη στο Σχήμα 4. Η επιλογή ενός φίλτρου με τη μικρότερη δυνατή πτώση πίεσης είναι επομένως κεντρικής σημασίας για τη βελτιστοποιημένη από πλευράς κόστους λειτουργία ενός συστήματος φίλτρων.

Εκπομπές CO2 και αποτύπωμα

Κάθε παραγωγή ενέργειας συνοδεύεται από ορισμένες εκπομπές CO2. Αυτό αναφέρεται συνήθως ως αποτύπωμα CO2. Το επίπεδο των εκπομπών CO2 και συνεπώς το αποτύπωμα CO2 εξαρτάται από το ενεργειακό μείγμα του καταναλωτή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι ορυκτές πηγές ενέργειας (άνθρακας, φυσικό αέριο, πετρέλαιο) παράγουν φυσικά υψηλότερες εκπομπές CO2 από τις αναγεννώμενες πηγές ενέργειας (άνεμος, ήλιος, νερό). Για την ίδια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, οι προκύπτουσες εκπομπές CO2 διαφέρουν επομένως σημαντικά από χώρα σε χώρα. Ο πίνακας 1 παρουσιάζει το επίπεδο των εκπομπών CO2 από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε διάφορες χώρες. Φυσικά, οι χώρες με υψηλή χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ή πυρηνικής ενέργειας, όπως η Σουηδία, η Ελβετία ή η Γαλλία, έχουν σχετικά χαμηλές εκπομπές CO2 για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

2020	Sweden	Switzerland	France	Finland	Spain	Italy	Germany
CO2 emissions (g/kWh)	9	12	51	69	156	213	311

Πίνακας 1: Εκπομπές CO2 από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε διάφορες χώρες [2].

Παράδειγμα

Ας ελέγξουμε το ενεργειακό κόστος, το TCO και το αποτύπωμα CO2 σε μια εφαρμογή από σκυρόδεμα, υποθέτοντας τις συνθήκες που περιγράφηκαν για τη δοκιμή του δοχείου. Για το σκοπό αυτό υποθέτουμε τα εξής:

Λόγω της κατάστασης στις αγορές ενέργειας που περιγράφεται παραπάνω, υποθέτουμε τις τιμές χονδρικής για την ηλεκτρική ενέργεια τον Ιούνιο του 2022 και, για λόγους απλότητας, παραβλέπουμε όλα τα τέλη δικτύου και άλλες χρεώσεις.

Electricity prices	Finland	Sweden	Spain	Germany	France	Switzerland	Italy
June 2022 (€/kWh)	0,1403	0,1148	0,1694	0,2182	0,2487	0,2552	0,716
Increase vs. Jan 2022	+417%	+376%	+312%	+524%	+555%	+500%	+472%

Πίνακας 2: Χονδρικές τιμές ηλεκτρικής ενέργειας Ιούνιος 2022 (χωρίς χρεώσεις δικτύου και άλλα τέλη) και αύξηση σε σχέση με τον Ιανουάριο 2022 για ορισμένες χώρες [1].

Στο Σχήμα 5 συγκρίνεται το ενεργειακό κόστος για τη λειτουργία ενός φίλτρου HEPA από υαλοβάμβακα με ένα φίλτρο HEPA από μεμβράνη eFRM σε διάφορες χώρες υπό τις συνθήκες που αναφέρθηκαν παραπάνω, το οποίο υπολογίζεται με τη χρήση του τύπου (2).

Το διαφορετικό κόστος ηλεκτρικής ενέργειας στις διάφορες χώρες έχει ως αποτέλεσμα σημαντικά διαφορετικό ενεργειακό κόστος για τη λειτουργία ενός φίλτρου. Στο παράδειγμά μας, το κόστος στην Ιταλία είναι περίπου 2,37 φορές μεγαλύτερο από εκείνο στη Σουηδία. Ανεξάρτητα από αυτό, παρουσιάζεται εξοικονόμηση κόστους περίπου 50% σε κάθε χώρα όταν χρησιμοποιούνται φίλτρα HEPA με μεμβράνη eFRM. Υπολογίζοντας το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας, σύμφωνα με τον τύπο (1) το κόστος επένδυσης για τα φίλτρα προστίθεται στο κόστος ενέργειας. Υποθέτοντας το ακόλουθο κόστος επένδυσης,

Το διάγραμμα 6 δείχνει την εξέλιξη του συνολικού κόστους ιδιοκτησίας με την πάροδο του χρόνου για διάφορες χώρες.

Λόγω του χαμηλότερου κόστους επένδυσης για τα φίλτρα υαλοϊνών, το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας τους είναι αρχικά χαμηλότερο από εκείνο των φίλτρων μεμβρανών eFRM. Ωστόσο, λόγω του σημαντικά χαμηλότερου ενεργειακού κόστους κατά τη λειτουργία των φίλτρων μεμβρανών eFRM, η αναλογία αυτή αντιστρέφεται με την πάροδο του χρόνου (Σχήμα 6). Το σημείο στο οποίο συμβαίνει αυτό είναι το λεγόμενο νεκρό σημείο, από το οποίο η λειτουργία των φίλτρων μεμβρανών eFRM υψηλότερης ποιότητας αποδίδει οικονομικά. Το διαφορετικό ενεργειακό κόστος μεταξύ των χωρών παίζει ελάχιστα ρόλο σε αυτό. Οι περίοδοι απόσβεσης είναι πάντα της τάξης των λίγων μόνο μηνών (Σχήμα 7).

Το σχήμα 8 δείχνει το προκύπτον συνολικό κόστος ιδιοκτησίας για τον υποτιθέμενο χρόνο λειτουργίας των 18.000 ωρών.

Λόγω του διαφορετικού ενεργειακού κόστους στις διάφορες χώρες, το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας των φίλτρων διαφέρει σημαντικά. Ανεξάρτητα από αυτό, σε όλες τις χώρες υπάρχει σημαντική εξοικονόμηση κόστους της τάξης του 35% έως και πάνω από 42%. Με τις ενεργειακές καταναλώσεις που υποδεικνύονται στο σχήμα 5, μπορούν να υπολογιστούν τα ισοδύναμα CO2 που παρουσιάζονται στο σχήμα 9.