Ciepło odpadowe w przemyśle i potencjał jego wykorzystania

W czasach, gdy coraz więcej uwagi poświęcamy racjonalizacji zużycia energii, wzrasta również zainteresowanie wykorzystaniem ciepła odpadowego. Efektywność energetyczna w Polsce jest mniej więcej trzy razy niższa niż w krajach Europy Zachodniej [1]. Duże ilości energii marnują się w trakcie spalania paliw bez jednoczesnego odzyskiwania energii, w procesach technologicznych i urządzeniach różnego typu.

Obecnie koncentrujemy uwagę głównie na gospodarce energetycznej w obszarze komunalnym. Pompy ciepła, fotowoltaika czy odzysk ciepła za ścieków stanowią bardzo istotne elementy polityki energetycznej państwa i są incydentalnie promowane za pomocą centralnych dotacji. Na dalszy plan odsuwany jest jednak ogromny potencjał drzemiący w cieple odpadowym powstającym w trakcie procesów produkcyjnych.

Warto tu przypomnieć, czym jest ciepło odpadowe. Trafnie to ujmują regulacje szwajcarskie (Energieverordnung 730.01/EnV [2]): zgodnie ze stanem techniki ciepło odpadowe, to takie, którego nie można wykorzystać w inny sposób u źródła, przekazywane do dalszego wykorzystania, niezawierające energii pierwotnej, a zatem niepowodujące emisji gazów cieplarnianych. Możliwa jest sprzedaż energii odpadowej przez producenta podmiotom trzecim na takich zasadach jak w przypadku energii odnawialnej.

W kwestii oszczędności energii w przemyśle główną rolę odgrywają nie tylko idee wskazujące na potrzebę ochrony środowiska i ograniczania emisji CO₂, ale również bezpośrednia ochrona zawartości naszych portfeli. Manager dużej fabryki samochodowych filtrów cząstek stałych (DPF) w jednym z krajów Europy Środkowo-Wschodniej zapytany o marnotrawstwo ciepła polegające na wywiewaniu powietrza procesowego o temperaturach powyżej 300°C i bilansowe uzupełnianie go powietrzem zewnętrznym podgrzewanym w zimie nagrzewnicami gazowymi, odpowiedział, że jest to wkalkulowane w koszty produkcji. Moc przyłączeniowa zakładu wynosiła 28 MW energii elektrycznej, a gaz ziemny do celów grzewczych doprowadzany był rurociągiem DN 200. Tego typu niegospodarność energetyczna zakładów przemysłowych, nastawionych głównie na optymalizację techniczną, przekłada się później bezpośrednio na ceny ich produktów, za które płacimy my – ich klienci.

W przypadku średnich i dużych przedsiębiorstw przemysłowych największy potencjał oszczędności energii leży w procesach termicznych. Dzięki kompleksowej optymalizacji energetycznej można zidentyfikować głównych odbiorców energii w zakładzie i przeanalizować procesy produkcji z użyciem obróbki termicznej. Oczywiście możliwe jest wewnętrzne wykorzystanie (odzysk) ciepła odpadowego. Na przykład firmy z branży spożywczej, stosujące zarówno procesy termiczne, jak i schładzanie, mogą wykorzystywać ciepło odpadowe z procesów chłodzenia do ogrzewania, co finalnie przyczynia się do obniżenia ich kosztów energii.

Zobacz także: Wózki widłowe Kalmar – możliwości i zastosowania >>

Podobne przykłady można mnożyć, warto jednak zwrócić uwagę na pozornie drobne praktyczne aspekty obchodzenia się z ciepłem odpadowym. Zakłady przemysłowe koncentrują się na czynnikach niezbędnych do uzyskania produktu wysokiej jakości. Niepożądane zyski ciepła traktowane są na równi z pozostałymi zużytymi rodzajami powietrza wewnętrznego i usuwane na zewnątrz. W najlepszym wypadku odbywa się to za pomocą central wentylacyjnych z odzyskiem ciepła. Nietrudno zauważyć, że to „zanieczyszczenie” (czyli ciepło) rozprzestrzenia się po całej hali, a do jego usunięcia wymagane jest wykorzystanie dużych ilości powietrza nawiewanego.

Inaczej sytuacja wygląda w przypadku okapów czy kominów usuwających (podobnie jak odciągi miejscowe) powietrze i jego mieszaniny o wysokich temperaturach, jednak w znacznie mniejszych ilościach, bezpośrednio do atmosfery. Ponadto okap odprowadza jedynie zyski konwekcyjne, a promieniowanie od źródła ciepła powoduje także jego rozproszenie w całym pomieszczeniu. Źródło ciepła powinno być zatem izolowane lub ze względów procesowych przynajmniej ekranowane. W ten sposób koncentracja zysków ciepła występuje na niewielkiej przestrzeni, zwiększając jednocześnie użytkową temperaturę wywiewanego powietrza, co w efekcie zwiększa korzyści z jego odzysku. Podobne rozwiązania są praktykowane w serwerowniach, gdzie chłodzone są tylko przestrzenie wewnętrzne szaf, a nie całe pomieszczenia. Wynikające z procesu ubytki powietrza wewnętrznego muszą być oczywiście uzupełniane często wymagającym podgrzewania powietrzem zewnętrznym, jednak w znacznie mniejszych ilościach.

Innym zagadnieniem jest temperatura powietrza wymagana na stanowisku pracy. Procesy technologiczne są w coraz większym stopniu zautomatyzowane, tym samym liczba stanowisk obsługowych bywa istotnie zredukowana. W tej sytuacji traktowanie całej powierzchni hali do wysokości 2 m jako wymagającej klimatyzowania strefy przebywania ludzi jest błędne. Rozwiązaniem są klimatyzowane kontenery przeznaczone dla obsługi lub punktowy nawiew uzdatnionego powietrza tylko do strefy stałego przebywania ludzi. Temperatura pozostałej części hali powinna być uzależniona jedynie od wymogów urządzeń i instalacji (np. okablowania czy automatyki).

Holistyczne podejście do tych zagadnień wymaga ściślejszej współpracy technologów z projektantami branży mechanicznej i elektrycznej. W praktyce uzyskanie danych do projektowania jest nie tylko trudne – ogranicza się do podania przewidywanej mocy zainstalowanej i przybliżonej ilości powietrza procesowego. Spowodowane jest to, trwającymi zwykle w trakcie projektowania, przetargami z dostawcami technologii. W rezultacie zobowiązany terminami projektant instalacji zmuszony jest się opierać na danych orientacyjnych, które często są dodatkowo niekompletne. Ma to zdecydowany wpływ na zwiększenie zakładanych „współczynników bezpieczeństwa projektanta”. Z tych powodów całkowicie pomijana jest analiza ekonomiczna potencjału oszczędności energii, a zawyżone koszty energii w procesie wytwarzania produktu przekładają się na jego cenę, czego konsekwencje ponosimy pośrednio wszyscy.

Najprostszym rozwiązaniem jest możliwość bezpośredniego generowania energii elektrycznej. Ograniczeniami są jednak w tym przypadku parametry czynnika grzejnego (przy małych turbinach parowych dla energetyki rozproszonej) i niewielka moc (dla generatorów termoelektrycznych i technologii ORC).

Stosunkowo łatwo można sobie wyobrazić wykorzystanie ciepła odpadowego w sezonie grzewczym lub do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Systemy technologiczne również nierzadko przewidują tworzenie obiegów zamkniętych. Na przykład w przemyśle cementowym wykorzystuje się ciepło spalin i chłodzenia klinkieru do podgrzewania i suszenia wsadu. W pewnym opracowaniu z ZSRR z lat 70. znalazłem np. informację o systemie ekranów odzyskujących ciepło z płaszcza pieców obrotowych.

Problemy pojawiają się zwłaszcza w okresie występowania wyższych temperatur. Przykładowo oparte na spalaniu biomasy układy kogeneracyjne napotykają na istotne trudności z odprowadzeniem nadmiaru ciepła w okresie letnim. Rozwiązaniem może być pozyskiwanie mocy chłodniczej za pomocą pracujących bez udziału energii elektrycznej agregatów absorpcyjnych. Są one dobrym, ekonomicznym rozwiązaniem przy niezagospodarowanej nadwyżce ciepła technologicznego lub odpadowego. Sprawdzają się również wszędzie tam, gdzie występuje deficyt energii elektrycznej. W odróżnieniu od chłodziarek sprężarkowych energią zasilającą agregat absorpcyjny jest ciepło w postaci gorącej wody lub pary.

Agregaty absorpcyjne mają zróżnicowaną budowę, a ich sprawność zależy od nośnika dostarczanej energii cieplnej. Zgodnie z informacjami podawanymi przez jednego z producentów [8]:

• agregaty absorpcyjne jednostopniowe zasilane gorącą wodą mają sprawność ok. 65–80%,
• agregaty absorpcyjne jednostopniowe zasilane parą o ciśnieniu poniżej 3 bar – sprawność ok. 70%,
• agregaty absorpcyjne dwustopniowe zasilane parą o ciśnieniu 4–8 bar – sprawność ok. 110–130%,
• agregaty absorpcyjne dwustopniowe bezpośrednio opalane gazem (gaz ziemny, propan-butan, gaz koksowniczy itp.) – sprawność ok. 110–130%,
• agregaty absorpcyjne zasilane strumieniem gorących spalin (np. z istniejących kotłów lub pieców przemysłowych).

Do ekonomicznych i ekologicznych korzyści płynących z zastosowania agregatów absorpcyjnych należą:

• możliwość bezpośredniego zagospodarowania ciepła odpadowego,
• potwierdzone oszczędności energetyczne w układach trigeneracji,
• brak konieczności przeprowadzania specjalnych procedur serwisowych,
• niski poziom hałasu wyznaczający nowe standardy dla urządzeń chłodniczych,
• obojętny dla środowiska czynnik chłodniczy,
• długi czas pracy (żywotność).

Wśród cech agregatów absorpcyjnych należy jednak wymienić także ich stosunkowo wysoki koszt w odniesieniu do sprawności oraz ograniczone możliwości sterowania i tym samym utrzymywania stałych parametrów wyjściowych.

Zobacz także: Pompy ciepła na alternatywne czynniki chłodnicze

Odzysk ciepła w miastach

W obliczu stale rosnącego problemu globalnego ocieplenia wiele ośrodków naukowych na całym świecie intensywnie pracuje nad możliwościami ograniczenia użycia kopalnych nośników energii. Prace te wpływają na poprawę efektywności procesów i urządzeń wykorzystujących ciepło odpadowe. Jednocześnie rządy wielu państw podejmują starania w celu określenia i wykorzystania istniejącego potencjału.

W miejskich sieciach ciepłowniczych w Szwecji ok. 10% stanowi ciepło odpadowe z przemysłu. Prawie 1% dostaw ciepła pochodzi ze spalania gazu resztkowego z huty stali w mieście Luleå, podczas gdy w innych krajach gaz ten spalany jest w pochodni. W sieci miasta Borlänge 70% stanowi ciepło odpadowe z fabryki papieru Stora Enso oraz z huty stali SSAB. Gmina otrzymuje ciepło z tych zakładów bezpłatnie, ale wcześniej musiała sfinansować inwestycje, które umożliwiają jego odbiór i dystrybucję w sieci, natomiast firmy ponoszą niższe opłaty środowiskowe.

Z kolei magistrat stolicy Austrii przeprowadził wnikliwą analizę potencjału odzyskiwania ciepła na terenie miasta. Zapotrzebowanie na energię powinno być na wczesnym etapie skoordynowane z lokalnie dostępnymi zasobami. Celem jest identyfikacja niewykorzystanych potencjałów cieplnych, które powstają podczas procesów produkcyjnych. W razie potrzeby energię tę można udostępnić innym odbiorcom. W tym celu przeanalizowano, jakie potencjalne źródła ciepła odpadowego są dostępne w danym rejonie Wiednia i czy mogą się one przyczynić do zrównoważonego, efektywnego i ekonomicznego zaopatrzenia w energię sąsiadujących zasobów budowlanych. Rejestrowanie przemysłowych i komercyjnych źródeł ciepła odpadowego stanowi podstawę dla jego właściwego lokalnego wykorzystania np. do efektywnego rozwoju miejskiego systemu energetycznego (rys. 1).

Do oszacowania potencjału ciepła odpadowego wykorzystano takie dane jak:

• specyficzne dla branży parametry całkowitego zużycia energii (elektrycznej i cieplnej) pochodzące ze statystyk energetycznych,
• informacje na temat wymagań dotyczących ciepła procesowego i poziomów temperatury w poszczególnych gałęziach przemysłu.

Potencjał ciepła odpadowego dla poszczególnych przedsiębiorstw został sklasyfikowany według poziomów temperatury na podstawie średnich udziałów ilości ciepła odpadowego z przemysłu. Oceniono go także pod kątem użyteczności i pogrupowano w oparciu o poziomy temperatury specyficzne dla przemysłu:

• niskotemperaturowy – NT (od 35 do 100°C): ciepło stosowane bezpośrednio w sieciach niskotemperaturowych (np. do ogrzewania podłogowego w domach pasywnych) lub podniesione do wyższego poziomu temperatury za pomocą pompy ciepła w celu umożliwienia jej zasilania miejskiej sieci ciepłowniczej w Wiedniu,
• średniotemperaturowy – MT (od 100 do 500°C): ciepło może być doprowadzone bezpośrednio do sieci ciepłowniczej lub przystosowane do konwersji na energię elektryczną,
• wysokotemperaturowy – HT (powyżej 500°C): ciepło może być wykorzystane bezpośrednio do konwersji na energię elektryczną lub po schłodzeniu do zasilania sieci ciepłowniczej.

Wiedeń rozpoczął ponadto w lutym 2022 budowę instalacji odzysku ciepła o mocy 55 MW. Od połowy przyszłego roku wielkoskalowa pompa ciepła powinna zasilać nawet 56 tys. gospodarstw domowych. Pełna rozbudowa do mocy 110 MW planowana jest na 2027 rok, a koszt projektu oszacowano na 70 mln euro. Wykorzystywane będzie ciepło odpadowe z oczyszczalni ścieków. Po pełnej rozbudowie, czyli w 2027 roku, pompy ciepła obniżą temperaturę ścieków o 6°C, natomiast pompy ciepła drugiego stopnia mają zwiększać temperaturę wody doprowadzanej do sieci do poziomu ponad 90°C.

Również Szwajcaria docenia potencjał niewykorzystanych zasobów energii. W ramach programu Energie Schweiz zapewnione zostało wsparcie finansowe państwa dla analiz procesów termicznych (analizy zgrubne i oparte na systematyce Linnhoffa) w przedsiębiorstwach przemysłowych i handlowych.

Podsumowanie

W Polsce mamy stosunkowo dobrze prosperującą branżę ciepłowniczą, co stwarza korzystne warunki do rozbudowy istniejących sieci i racjonalizacji ich zasilania ze źródeł alternatywnych. Nie chodzi tu jedynie o poszukiwanie nowych źródeł energii, ale wykorzystanie istniejących. Określenie posiadanego potencjału ciepła odpadowego i wspieranie jego wykorzystania leży w żywotnym interesie naszego państwa i zasługuje na wysoki priorytet w krajowej gospodarce energetycznej.

Literatura

1. Doskocz Jacek, Kardasz Piotr, Szałata Łukasz, Ciepło odpadowe jako źródło energii elektrycznej, „Polski Przemysł” 5/2016, https://polskiprzemysl.com.pl/wp-content/uploads/pp_w32_cieplo.pdf (dostęp: 11.02.2022)

2. https://www.infrawatt.ch/sites/default/files/Faktenblatt_Abw%C3%A4rme_V1(2).pdf (dostęp: 11.08.2022)

3. Papierowska Ewa, Chaczykowski Maciej, Wykorzystanie technologii ORC w celu wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych, „Przegląd Naukowy – Inżynieria i Kształtowanie Środowiska” 61, 2013. s. 336–347,  (dostęp: 11.08.2022)

4. https://www.wien.gv.at/stadtentwicklung/energie/themenstadtplan/abwaerme/ (dostęp: 11.08.2022)

5. Federalny Departament Środowiska, Transportu, Energii i Komunikacji (DETEC), https://www.uvek.admin.ch/uvek/de/home.html (dostęp: 11.08.2022)

6. Zadanie: odzyskać energię z ciepła odpadowego, https://magazyncieplasystemowego.pl/cieplownictwo/zadanie-odzyskac-energie-z-ciepla-odpadowego/ (dostęp: 11.08.2022)

7. Kryłłowicz Władysław, Kantyka Krzysztof, Małe turbiny parowe dla energetyki rozproszonej – uwarunkowania techniczno-ekonomiczne, „Rynek Energii” 6/2017, s. 41–46

8. Materiały firmy Termster Absorpcja, https://www.termster.pl/ (dostęp: 11.08.2022)