W wielu zakładach przemysłowych ogromne ilości energii są zużywane na ogrzewanie, suszenie, topienie, wypalanie albo prowadzenie procesów technologicznych w wysokiej temperaturze. Jednocześnie część dostarczonej energii opuszcza instalację razem z gorącymi spalinami, powietrzem wentylacyjnym, wodą chłodzącą lub nagrzanym produktem. Jeszcze niedawno uznawano to po prostu za nieuniknioną stratę.
Rosnąca efektywność energetyczna przemysłu sprawia jednak, że ciepło odpadowe coraz częściej traktowane jest jako wartościowy zasób. Dzięki odpowiednio zaprojektowanym wymiennikom, pompom ciepła i magazynom energii można ponownie wykorzystać część energii, za którą zakład wcześniej już zapłacił.
Skąd bierze się ciepło odpadowe?
Praktycznie każdy proces energetyczny wiąże się ze stratami.
Silnik elektryczny się nagrzewa. Sprężarka podnosi temperaturę sprężanego gazu. Piec przemysłowy emituje gorące spaliny. Układ chłodniczy odprowadza energię pobraną z chłodzonej przestrzeni.
Źródełem ciepła może być również gotowy produkt.
Element metalowy opuszczający piec w temperaturze kilkuset stopni Celsjusza będzie następnie chłodzony. Energia zawarta w tym materiale zostanie przekazana do powietrza albo wody.
Z punktu widzenia bilansu energetycznego zakładu warto zadać pytanie: czy naprawdę trzeba ją bezpowrotnie oddawać do otoczenia?
Najprostsza metoda – wymiennik ciepła
Podstawowym urządzeniem wykorzystywanym do odzysku energii jest wymiennik.
Pozwala on przekazać ciepło z jednego medium do drugiego bez konieczności ich bezpośredniego mieszania.
Gorące spaliny mogą na przykład podgrzewać powietrze kierowane później do procesu spalania. Ciepła woda technologiczna może podgrzewać chłodniejszą wodę doprowadzaną do instalacji.
Im większa różnica temperatur pomiędzy mediami, tym łatwiejsze może być efektywne wykorzystanie energii.
Projekt wymiennika wymaga jednak uwzględnienia znacznie większej liczby parametrów niż sama temperatura.
Znaczenie ma skład medium, możliwość powstawania osadów, korozja, spadki ciśnienia, dopuszczalna temperatura powierzchni oraz możliwość czyszczenia urządzenia.
Rekuperatory i regeneratory
W instalacjach wysokotemperaturowych często wykorzystuje się odzysk energii ze spalin.
Rekuperator umożliwia przekazywanie ciepła przez powierzchnię oddzielającą dwa strumienie. Gorące spaliny ogrzewają w ten sposób powietrze doprowadzane do procesu.
Regenerator działa inaczej. Materiał akumulacyjny jest okresowo ogrzewany przez gorący strumień, a następnie oddaje zgromadzoną energię strumieniowi chłodniejszemu.
Rozwiązania tego typu od dawna stosuje się w części procesów hutniczych czy szklarskich. Współczesne sterowanie i lepsze materiały pozwalają jednak dokładniej zarządzać przepływem energii.
Co zrobić z ciepłem o zbyt niskiej temperaturze?
Najłatwiej wykorzystać energię o wysokiej temperaturze. Problemem jest ciepło niskotemperaturowe.
Woda o temperaturze kilkudziesięciu stopni może zawierać znaczną ilość energii, ale nie zawsze da się ją bezpośrednio wykorzystać w procesie wymagającym znacznie wyższej temperatury.
Tutaj pojawiają się przemysłowe pompy ciepła.
Ich zadaniem jest pobranie energii ze źródła o niższej temperaturze i podniesienie jej do poziomu umożliwiającego praktyczne wykorzystanie.
Zasada działania jest podobna do pompy ciepła ogrzewającej budynek, lecz skala i parametry instalacji przemysłowej mogą być zupełnie inne.
Energia odpadowa pochodząca wcześniej z chłodzenia urządzeń może w ten sposób zostać wykorzystana do przygotowania ciepłej wody, ogrzewania pomieszczeń albo wybranych procesów technologicznych.
Sprężone powietrze jest również źródłem energii
Instalacje sprężonego powietrza należą do ważnych odbiorników energii elektrycznej w wielu zakładach.
Podczas sprężania powietrza powstaje dużo ciepła, które trzeba odprowadzić z kompresora.
Zamiast wyrzucać je do otoczenia, można zastosować układ odzysku energii.
Ciepło może ogrzewać wodę użytkową, wspierać ogrzewanie hali lub zasilać inny proces wymagający umiarkowanej temperatury.
To dobry przykład technologii, w której poprawa efektywności nie wymaga zmiany samej produkcji. Energia będąca wcześniej skutkiem ubocznym pracy maszyny zostaje po prostu skierowana do miejsca, w którym jest potrzebna.
Problemem jest nie tylko ilość, ale także czas
Odzysk ciepła wygląda prosto na schemacie: po jednej stronie mamy źródło energii, po drugiej odbiornik.
W rzeczywistym zakładzie obydwa procesy nie zawsze pracują jednocześnie.
Piec może działać przez całą dobę, podczas gdy zapotrzebowanie na ogrzewanie budynku pojawia się głównie zimą. Inna linia technologiczna może pracować tylko na jednej zmianie.
Dlatego ważnym elementem systemu mogą być magazyny energii cieplnej.
Najprostszym przykładem jest dobrze izolowany zbiornik z wodą. W zależności od temperatury i potrzeb stosuje się jednak również inne materiały magazynujące energię.
Dzięki magazynowi ciepło nie musi zostać wykorzystane dokładnie w chwili, w której powstaje.
Czy z ciepła odpadowego można zrobić prąd?
W niektórych zastosowaniach tak.
Jeżeli dostępne jest źródło o odpowiednio wysokiej temperaturze i wystarczającej mocy, energia cieplna może zostać przekształcona w energię mechaniczną, a następnie elektryczną.
Stosowane są do tego między innymi układy termodynamiczne wykorzystujące parowanie i rozprężanie czynnika roboczego.
Nie zawsze jest to jednak najbardziej efektywne rozwiązanie.
Jeżeli zakład potrzebuje dużej ilości ciepła technologicznego, często korzystniej jest wykorzystać energię bezpośrednio zamiast najpierw zamieniać ją na energię elektryczną.
Każda konwersja oznacza bowiem dodatkowe straty.
Ciepło przemysłowe może ogrzewać miasta
Interesującym rozwiązaniem jest wyprowadzenie energii poza teren zakładu.
Jeżeli w pobliżu znajduje się sieć ciepłownicza albo duży odbiorca energii, ciepło odpadowe może zostać wykorzystane do ogrzewania budynków.
Technicznie wymaga to odpowiednich wymienników, pomp, rurociągów i systemu sterowania.
Największym ograniczeniem często okazuje się jednak odległość. Transport ciepła na wiele kilometrów oznacza dodatkowe koszty infrastruktury i straty energii.
Dlatego lokalizacja zakładów przemysłowych może w przyszłości coraz częściej być analizowana również pod kątem możliwości współpracy energetycznej z otoczeniem.
Najpierw trzeba wiedzieć, gdzie energia znika
Zanim przedsiębiorstwo zacznie inwestować w rozbudowane systemy odzysku, potrzebny jest dokładny bilans energetyczny.
Trzeba określić, gdzie energia trafia do procesu, gdzie zostaje wykorzystana, a gdzie opuszcza instalację.
Przydatne są pomiary temperatury, przepływu, ciśnienia oraz zużycia energii poszczególnych urządzeń.
Dopiero wtedy można ocenić rzeczywisty potencjał odzysku.
Najgorętsza rura w zakładzie nie zawsze oznacza najlepsze źródło ciepła. Liczy się również wielkość przepływu, ciągłość pracy oraz możliwość znalezienia odpowiedniego odbiornika.
Energia, której nie trzeba ponownie wyprodukować
Odzysk ciepła odpadowego jest ciekawym przykładem ekologii opartej na efektywności.
Nie wymaga stworzenia nowego źródła energii. W pierwszej kolejności wykorzystuje to, co już istnieje.
Każda jednostka energii odzyskana z procesu oznacza mniejsze zapotrzebowanie na energię dostarczaną z zewnątrz.
Dlatego w wielu zakładach najtańszym i najmniej emisyjnym źródłem energii może okazać się nie nowa elektrownia czy kolejny kocioł, lecz ciepło, które do tej pory bez żadnego pożytku uciekało do atmosfery.
