Teknologi for effektiv og bærekraftig innfrysing av pelagisk fisk

For ca. 10 år siden gjennomførte Global Hjørungavåg AS (i dag en del av Norway Pelagic ASA) et prosjekt som førte til bygging av den første kontinuerlige frysetunnel for pelagisk fisk. Basiskunnskapen som ble gjort om varmetransport gjennom vare og emballasje vil være grunnlag for videreutvikling av dagens produksjonstilpassede tunnelfrysere.

Prosjektet vil inndeles i 4 delprosjekter: 

Delprosjekt 1: Utfordringer ved dagens foredlingsanlegg.
Mål: Å dentifisere årsaker til varierende frysetid og energieffektivitet ved dagens pelagiske anlegg.

 

Næringen har i dag til dels overkapasitet i prosessering og frysing av pelagisk fisk i noen områder og har generelt for lav lønnsomhet. Samtidig har industrien de siste år gjennomgått store endringer der en har fokusert på bedre markedstilpassing, økt foredlingsgrad (filetering og marinering av sild, utnyttelse av biprodukter til konsum). Selv om mange anlegg har lagt vekt på videreutvikling av anleggene, sliter en fortsatt med utfordringer i innfrysingssystemene hvor en har spesielt problem med å få fisken tilstrekkelig nedfrosset og raskt nok til å få fylt – frosset – tømt disse i en døgnsyklus. Samtidig viser registreringer at energiforbruket ved anleggene generelt er over 50 % høyere enn målt ved enkelte undersøkelser av tunneler. Forbedringer, eksempelvis ved betydelig økning av kondensatorytelsen har ikke vist noe klar forbedring i effektiviteten. Dette viser stort behov for bedre måle-, registrerings- og overvåkingsmetoder som kan vise hvordan en standard eller vanlig ytelse i prosessene skal være, og rapportere avvik fra det normale.

 

De fleste av dagens anlegg er bygget trinnvis ved utvidelser, og til dels nybygg gjennom en rekke år. Det er også ofte benyttet forskjellige arrangement og tekniske løsninger for innfrysing og med forskjellige typer av kuldeanlegg, kompressorer og styre–regulering–overvåkingsløsninger. Som utgangspunkt for videre utvikling er kunnskapen om hva som finnes av gode og effektive løsninger og driftsmetoder viktig. Det må gjennomføres målinger på ulike anlegg for å bestemme frysetider ved vanligste tunnelløsninger, lufttemperaturer og -hastigheter og vil gi utgangspunkt for forbedring av innfrysingen. Hvilke anlegg som blir valgt ut vil gjøres i samarbeid med styringsgruppen, som representer næringen.

 

Gjennomgang av kuldesystemer og målinger av temperaturer og trykk i anleggene vil dokumentere drift og ytelser, energibruk og -utnyttelse. Videre utføres målinger av kritiske komponenter for registrering av effektivitet og kartlegging av hvilke som må måles under drift for å oppnå bedre styring og registrering av produksjonsdata. Det utarbeides forslag til overvåkingsopplegg for registrering av driftsforhold og energieffektivitet.

Aktiviteter som vil gjennomføres
1. Gjennomgang av dagens anleggstyper, driftserfaringer og utfordringer i drift og utnyttelse, samt tidligere prosjektaktivitet som kan være til nytte for videre arbeider. Intervjuer med et utvalg av teknisk personell ved ulike anlegg for å avdekke vanlige driftsprosedyrer. I forbindelse med disse intervjuene vil styringsgruppen velge ut 3 anlegg som skal følges opp videre i aktivitet 3 og 4. Gjennomgang av tidligere prosjekter ved SINTEF innenfor temaet samt en litteraturstudie vil bli gjennomført.

2. Utvikle og utprøve målemetodikk og utstyr for registrering av driftsforhold, lagring og innfrysing. Gjennomgang av vanlige SRO-system og utarbeidelse av prosedyrer og utstyr for innhenting av data i aktivitet 3 og 4.

3. Gjennomføre målinger og registreringer av driftsforhold, produksjon, frysetid og energibruk ved aktuelle anlegg samt vurdere forbedringsmuligheter. Fra aktivitet 1 vil det bli pekt på anlegg som vil bli instrumenter når det gjelder innfrysingstid, energibruk og driftsrutiner. I samarbeid med personell fra de aktuelle anleggene vil det bli utarbeidet en liste over mulige tiltak som kan forbedre og måle energibruken.

4. Måle spesifikk energibruk for delaktiviteter og prosesser. Det vil gjennomføres målinger av kritiske komponenter for registrering av effektivitet og kartlegging av hvilke som må måles under drift for å oppnå bedre styring og registrering av produksjonsdata. Det utarbeides forslag til pålitelig overvåkingsopplegg for registrering av driftsforhold og energieffektivitet.

 

L1.1: Rapport om driftserfaringer ved dagens anlegg.
L1.2: Rapport om energibruk og energieffektiviseringstiltak ved dagens anlegg inkludert forslag til energiovervåkningssystem.

 

Delprosjekt 2. Nøkkeltall for frysetider, anlegg, og kuldebehov
Mål: Å utarbeide nøkkeltall for anlegg ved aktuelle produkt, størrelser og emballering.

 

Kuldebehovet for produktene som fryses og tiden som kreves for å transportere varmen ut av varen er avhengig av produkt og emballasje. Sammen med arbeids- og driftsforhold er dette oftest avgjørende for valg av frysemetode og utstyr. Tidligere utviklings- og forskningsprosjekter innen pelagisk innfrysing har gitt stor kunnskap om effekter av vanlig emballering. Spesielt pappesker med lokk er en avgjørende hindring for rask frysing, samtidig som emballasjen gir en betydelig kostnad. Mulige endringer i emballeringen bør vurderes for å redusere kostnader og forbedre effektiviteten og redusere frysetiden.

Endringene i bearbeidingsform som frysing av filét i blokk og eventuelt lake vil endre både kuldebehov og varmeledning i varen. Nye produkter, endringer i produkstørrelser, emballasje og pakking vil danne grunnlag for valg av fryserløsninger. Tidligere undersøkelse og litteraturgjennomgang av data om emballering og innfrysing gjennomgås der effekter på frysetider og varmestrøm(kuldebehov) vil bli vektlagt. For viktige pelagiske produkter utarbeides tabeller/database for termiske verdier og frysetider/varmestrøm avhengig av frysetemperatur og frysemetode. For nye størrelser og emballering må det eventuelt gjennomføres målinger og beregninger.

Periodisk innfrysing (batch) gir svært store variasjoner i kuldebehov som resulterer i varierende temperaturer for å tilpasse anleggets ytelse til varmestrømmen fra varene. Teoretisk beregning av kuldeanlegg og komponenter er derfor vanskelig og en må trolig i stor grad basere seg på målinger av anlegg/driftsforhold og erfaring. Slike anleggsmålinger er krevende siden en ofte har store forskjeller både i temperaturer og lufthastigheter i industrielle tunneler og må registreres ved målingene. Ut fra måledata og beregninger utarbeides forslag til nøkkeltall for kuldeytelser for anlegg ved aktuelle driftsformer.

 

1. For nye produkttyper bestemmes kuldebehov og varmetransport i produktene. Tidligere undersøkelse og litteratur gjennomgang av data om emballering og innfrysing gjennomgås med fokus på effekter på frysetider og varmestrøm(kuldebehov).

2. Klarlegging av nye emballasjematerialer, -former og markedstrender, samt måling av effekt og måling av frysetid for nye løsninger. For viktige pelagiske produkter utarbeides tabeller/database for termiske verdier og varmestrøm avhengig av frysetemperatur og frysemetode. For nye størrelser og emballering må det eventuelt gjennomføres målinger og beregninger.

3. Undersøke effekter av ytelsen for kuldeanlegget og luftsirkulasjonen på temperaturer og frysetid. Teoretisk beregning av kuldeanlegg og hovedkomponenter som kompressor, fordampere, kondensatorer, vifter, og målinger av anlegg/driftsforhold ved ulike ytelser.

4. Utarbeide forslag til nøkkeltall for anleggsdimensjonering. Ut fra måledata og beregninger, samt tett dialog med styringsgruppen, utarbeides det forslag til nøkkeltall for kuldeytelser for anlegg ved aktuelle driftsformer. Ulike løsninger fordamperplassering, viftestyring, kondensatorløsninger, kompressorstyring beskrives med nøkkeltall.

 

L2.1: Populær vitenskapelig publikasjon om frysetid, emballasje og lufthastighet.

L2.2: Rapport om nøkkeltall.

 

Mål: Å utvikle effektive og driftssikre frysemetoder tilpasset pelagiske landanlegg.

Hoveddelen av pelagisk fisk fryses i dag i tunneler hvor varmen transporteres med luft som sirkuleres over vareoverflaten og tar opp varme som avgis ved strømning gjennom fordamper. Som varmetransportør er luft lite effektiv og lav lufttetthet gir lite effektiv varmeoverføring fra vare og til fordamper. Samtidig må svært store volum sirkuleres for å transportere varmen. Luften må sirkulere effektivt og jevnt over alle flater som overfører varme og styring av luftstrømmen er krevende med store frysere. Luftsirkulasjonen gjennom mange kanaler, mellom esker og paller, sluser og fordampere gir også stort trykktap. Med store volum og trykkfall kreves betydelig energiforbruk til sirkulasjonsvifter. Vanligvis anslås midlere energiforbruk for vifter i innfrysingsperioden å utgjøre 20 til 30 % av totalt kuldebehov. Spesielt ved slutten av innfrysingen, når varmestrømmen fra varene er liten og kuldeanlegget må kjøres med full ytelse for å få varene frosset (ofte under – 40 oC), kan vifteeffekten utgjøre over 90 % av kuldeytelsen. Riktig valg av vifter, bruk av diffusorer, styring av luftmengder under frysing undersøkes ved beregninger og målinger.

Ved luftfrysing er luftmengder, jevn luftfordeling/-hastighet kritisk for å oppnå jevn frysetid i tunnelene. Erfaringsmessig er plassering av fordampere og vifter samt lufthastigheter og strømningsarrangement ved luftinnløp og –utløp viktig for luftfordelingen over varene. Forskjellig plassering av fordampere i tunneler har eksempelvis ikke gitt klare forskjeller i frysetid og viser at det også er andre forhold som er avgjørende. Det er derfor behov for mer nøyaktige målinger ved ulikt bygde anlegg og beregninger/simulering av luftstrøm. Både ujevn luftfordeling og -hastighet og at luften varmes ved strømning over varene forårsaker varierende frysetid. Selv med kort strømningsvei over paller (“tverrblåst” tunnel) kan forskjellen i inn og utgående temperatur ved start frysing være stor. Samtidig vil en med samme luftmengde knapt ha forskjell ved sluttfrysing, men hvor en likevel må ha noe luftstrøm for å opprettholde varmeoverføringen. Ved simuleringer av lufthastigheter, varmestrøm, tunnelform, arrangement, og beregninger utarbeides anbefalinger for utforming, arrangement og vareplassering.

Ved kontaktfrysing overføres varmen direkte til fordamperflatene og gir effektiv varmetransport kun avhengig av kontaktflaten/form og emballasje. Dette gir betydelig raskere frysing enn ved luftfrysing, og energiforbruket er lavere. Ulempen, spesielt ved vertikale frysere, er at utvidelsen ved frysing kan gi press og produktskader. Rask innfrysing gjør at en for å få høy utnyttelse bør benytte fryseren mest mulig gjennom døgnet. Bruksområde for denne frysertypen for aktuelle produkter vurderes og eventuelt utprøves.

Aktiviteter som vil gjennomføres

1. Måle og simulere effekt av tunnelutforming og produktplassering på frysetid i tunneler. Gjennomføre målinger på ulike tunnelløsninger (høy og lav) for innhenting av data til å verifisere modell. Gjennomføre simuleringer for å komme frem til optimal utforming av frysetunnel.

2. Vurdere viftetyper og luftsirkulasjons løsninger og styring for å redusere energiforbruk. Ut fra modell i aktivitet 1 vurdere vifteløsninger med målsetning om å komme frem til gode løsninger.

3. Dokumentere ved målinger og beregning/simulering effekter av redusert lufthastighet i sluttfrysingen. Basert på modell i aktivitet 1 og 2 gjennomføres simuleringer som viser effekt av hastighetsreduksjon til viftene i løpet av fryseforløpet på energiforbruket. Verifisere simuleringsresultater gjennom målinger.

4. Undersøke fryserløsninger og produkttypers egnethet for kontaktfrysing og effekt av pakning/emballasje på varmestrøm og frysetid. Kontaktfrysing gir raskere og mer energieffektiv innfrysing.  Vurdere pakningsstørrelser og gjennomføre innfrysing av ulike testpakker for verifisering av tid og energibruk samt markedsmuligheter i samarbeid med næringen.

 

Leveranser fra delprosjekt 3
L3.1: Rapport om frysemetoder for pelagisk fisk

 

Mål: Å utvikle driftssikre og energieffektive kuldesystemer tilpasset pelagiske landanlegg.

 

De fleste store industrielle kuldeanlegg benytter NH3 som kuldemedium fordi dette er miljøvennlig og har gode termodynamiske egenskaper for varmeoverføring/transport. Imidlertid er normalkokepunktet (ved atmosfærisk trykk) relativt høyt (ca. -32 oC) og ved temperaturer som ofte kreves for å få tunnelene ferdig frosset for døgnsykluser, er mediet mindre effektivt. Dette skyldes at trykket blir lavt og vekten av volumet kompressorene leverer avtar mye slik at massen av medium og derved kuldeytelsen blir svært redusert. Energieffektiviteten for systemet avtar også ved at trykkforholdet økes mye og systemtapene økes. I tillegg vil det betydelige undertrykk i kuldesystemets lavtrykkside ofte gi inntrenging av luft. Dette vil øke trykket i kondensatorene og reduserer effektiviteten av disse. Metodene og systemene for fjerning av luft er oftest krevende å bruke, lite effektive og/eller lite driftet og årsak til høyt energiforbruk. Løsningene for luftutskilling vil bli nærmere vurdert, erfaringen er at drifting av kondensatorer og systemene for luftfjerning er kunnskapskrevende og lite effektive. Anbefalinger for bedre løsninger og spesielt drifting av kondensatorer og drenering av væske fra disse, f.eks. bruk av luftutskillere, vil bli utarbeidet i dialog med næringen, representert med styringsgruppen.

Anleggene er typisk driftet i relativt korte sesonger og da også ofte med varierende frysebehov avhengig av tilgangen på råstoff. Ved bygging av anleggene har det vært lagt vekt på høy kapasitet og lave investeringer i energieffektivitet samt gode styre og reguleringsløsninger. For videre effektivisering og tilpasning av frysetider vil en utvikling med bruk av CO2 som kuldemedium være aktuelt. Dette gjelder spesielt hvor temperaturer under -40/-43 oC er krevet for å oppnå tilstrekkelig rask innfrysing. Samtidig vil eksisterende NH3 anlegg kunne utnyttes for vanlige frysetemperaturer og som øverste medium i kaskade løsning (to-trinns anlegg). 

Aktiviteter som vil gjennomføres

1. Vurdere aktuelle systemløsninger og kondensatorløsninger for å få redusert trykk og energiforbruk. Anbefalinger for bedre løsninger og spesielt drifting av kondensatorer med sjøvannsanlegg og drenering av væske fra disse, f.eks. bruk av luftutskillere, vil bli utarbeidet.

2. Optimalisering av kulde-/energiløsninger for innfrysing og lagring ved NH3-anlegg. Utarbeide anbefalinger for energi- og driftsoptimal drift av NH3-anlegg ved ulike anleggsløsninger inklusive pålitelig energiovervåkningsopplegg.

3. Vurdere bruk av kaskadesystem NH3 anlegg–CO2-anlegg ved behov for lavtemperatur innfrysing. Vurdere fordeler med lavtemperatur innfrysing for pelagisk fisk. Utarbeide anbefaling for konvertering av rene NH3 til kaskadeanlegg med CO2.

Leveranser fra delprosjekt 4
L4.1: Kuldesystemer for pelagisk landindustri.

SINTEF Energi AS vil ha prosjektledelsen og rapportere til FHF og styringsgruppen. Styringsgruppen vil møtes 4 ganger i løpet av prosjektperioden for å evaluere fremdrift og godkjenne planer (2 fysiske møter og 2 telefonmøter). Prosjektleder vil fungere som sekretær for styringsgruppen.

Pelagisk landindustri vil spille en aktiv rolle i prosjektet med hensyn til bruk av eksisterende anlegg for forsøksgjennomføring. I løpet av prosjekt vil man også innlede samarbeid med utstyrleverandører, men det vil skje i tett samarbeid med styringsgruppen.

Prosjektet er delt inn i tre faser, hvor en tar sikte på finansiering fra FHF i fase 1 og 2.  
 
Fase 1, inneholder delprosjekt 1, 2 og prosjektledelse. Styringsgruppen avgjør om prosjektet skal fortsette.

 

Fase 2, omhandler delprosjekt 3 og 4. En vil her se på nye metoder for frysing og behandling av pelagisk fisk. 

Fase 3, som omhandler implementering av resultatene vil søkes delfinansiert fra Enova og/eller Inovasjon Norge.