Kolektory słoneczne w zastosowaniach przemysłowych

Potencjał wykorzystania solarnego ciepła przemysłowego

Szacuje się, że ok. 25% ogólnego zapotrzebowania na energię końcową w Europie dotyczy produkcyjnego ciepła przemysłowego. Około 1/3 tego ciepła znajduje zastosowanie przy temperaturach poniżej 100°C. Fakty te zainspirowały wiele krajów europejskich (Austria, Hiszpania, Czechy, Niemcy i Słowenia) do wprowadzenia programu So-Pro uruchamiania inwestycji wykorzystujących ciepło słoneczne w instalacjach przemysłowych. Poziom temperatur uzyskiwanych w instalacjach solarnych umożliwia wykorzystanie pozyskanego ciepła słonecznego w różnych gałęziach przemysłu do realizacji wielu procesów technologicznych (tab. 1).

Z niektórych wyliczeń naukowców wynika, że w Polsce udział przemysłu w ogólnym zużyciu energii jest nawet wyższy od średniej europejskiej (rys. 1). Warto zatem poważnie zastanowić się nad zaangażowaniem naszego kraju w europejskie inicjatywy, zwłaszcza w kontekście realizacji programu zwiększenia udziału energii odnawialnych w pozyskiwaniu energii.

Barierami, które utrudniają zwiększenie wykorzystania solarnego ciepła przemysłowego, są przede wszystkim znaczne nakłady inwestycyjne oraz nieznajomość sposobu integracji ciepła solarnego z procesem technologicznym w przemyśle. Sposoby integracji ciepła solarnego z procesami przemysłowymi Wykorzystanie ciepła słonecznego w procesach przemysłowych wymaga indywidualnego podejścia do każdego przypadku i zapewnienia całkowitej integracji instalacji solarnej z przemysłową.

Wiąże się to z przeprowadzeniem szczegółowej analizy charakterystyki procesu przemysłowego oraz dystrybucji ciepła. Kluczowe są odpowiedzi na następujące pytania:

• czy niezbędne jest ciepło przemysłowe o temperaturze poniżej 100°C, względnie zimno przemysłowe?
• czy obiekt ma odpowiednie powierzchnie dachowe, fasady itp. do montażu instalacji solarnej?
• czy w okresie lata występuje znaczące zapotrzebowanie na ciepło lub chłód przemysłowy?

Jeżeli odpowiedzi na tak postawione pytania są twierdzące, następnym krokiem powinna być wizytacja obiektu przemysłowego. Niezbędne jest uzyskanie od użytkownika informacji o budynku, sposobie rozprowadzenia energii i jej kosztach oraz procesie produkcji.

Kolejnym krokiem jest analiza procesów wymagających energii cieplnej – należy wyodrębnić procesy otwarte i zamknięte oraz ciągłe i nieciągłe. Szczególną uwagę poświęcić należy procesom otwartym, w których nie występuje odzysk ciepła, ale będącym procesami ciągłymi, gdyż stanowią one podstawowy potencjał do wprowadzenia instalacji solarnej.

Dla zapewnienia prawidłowego współdziałania instalacji solarnej z przemysłową niezbędne jest dokonanie pomiaru zużycia energii z rozpoznaniem poziomu temperatur oraz profilu zużycia energii w szerokim horyzoncie czasowym. Należy również określić, jaki w obiekcie przemysłowym zastosowano system ogrzewania oraz nośnik energii (gaz, olej, prąd) itd. Kolejnym ważnym elementem jest ustalenie, czy nie jest planowana rozbudowa obiektu lub zmiana profilu produkcji, gdyż zmiany te mogą wpłynąć niekorzystnie na efektywność instalacji solarnej.

Istnieje wiele możliwości wpięcia instalacji solarnej do głównego obiegu grzewczego zakładu produkcyjnego, na przykład bezpośrednio do obwodu zasilania ciepłem (rys. 2). Instalacja solarna służy w tym przypadku do zwiększenia temperatury powrotu z obwodu grzewczego, dzięki czemu kocioł wykonuje jedynie niewielką pracę związaną z uzyskaniem temperatury docelowej. Takie rozwiązanie z uwagi na wymagany wysoki poziom temperatury jest w naszej strefie geograficznej trudne do zrealizowania, ale już w południowej Europie znacznie łatwiejsze.

Innym sposobem jest wpięcie instalacji solarnej do obiegu technologicznego (rys. 3). Gdy medium wykorzystywanym na przykład do mycia lub czyszczenia jest woda podgrzana do temperatury rzędu 60–80°C, kolektory słoneczne zasilają zasobnik gorącej wody, stanowiąc dodatkowe źródło ciepła. W sytuacji, gdy ilość energii doprowadzonej przez kolektory słoneczne wystarcza do uzyskania temperatury docelowej, przejmują one rolę głównego zasilania procesu technologicznego w energię cieplną.

Możliwe jest oczywiście również w tym wypadku podłączenie zestawu kolektorów słonecznych do obwodu technologicznego bezpośrednio poprzez wymiennik ciepła, bez konieczności zastosowania zasobnika (rys. 4).

Przykładowe realizacje w ramach programu So-Pro

Kolektory słoneczne w branży spożywczej

W procesach technologicznych przemysłu spożywczego zużywa się znaczne ilości wody o temperaturze, którą można uzyskać przy wykorzystaniu energii słonecznej. Niemiecka firma Merl GmbH & Co. KG działająca w tej branży zdecydowała się na zastosowanie 568 m2 kolektorów słonecznych zasilających warstwowo poprzez wymiennik ciepła zasobniki ciepłej wody użytkowej o łącznej pojemności 30 tys. litrów. Wodę użytkową do celów technologicznych przygotowuje się za pośrednictwem modułów ciepłej wody. Uzyskano w ten sposób 40-proc. pokrycie zapotrzebowania zakładu na ciepłą wodę użytkową.

Kolektory w przemyśle piwowarskim

W Europie istnieje prawie 2800 browarów, produkujących 42 mln m3 piwa. Do wyprodukowania 1 litra piwa zużywa się od 200 do 1400 Wh energii. Wszystkie procesy produkcyjne browarów zachodzą przy temperaturach nieprzekraczających 100°C. 75% energii zużywanej przez browary stanowi energia cieplna, a resztę – energia elektryczna. Energia cieplna zużywana jest przez warzelnię i butelkownię, służy też do ogrzewania pomieszczeń. Na fotografii przedstawiono kolektory słoneczne o łącznej powierzchni 150 m2 ulokowane na dachu hali browaru Hütt, a na rys. 5 pokazano sposób ich wykorzystania w procesie produkcji piwa.

Kolektory w przemyśle garbarskim

Zakłady garbarskie produkujące skórę i obrabiające skóry zwierzęce wykorzystują ciepłą (gorącą) wodę w procesie technologicznym. Dzięki zastosowaniu kolektorów słonecznych o całkowitej powierzchni 77 m2 w austriackiej garbarni Kölblinger możliwe było wyłączenie kotła grzewczego w okresie od maja do października.

Kolektory w przemyśle chemicznym

Procesy galwanizacji stosowane w przemyśle chemicznym wymagają stosowania kąpieli w cieczach, często o wysokiej temperaturze. Niemiecka firma Steinach und Vollmann GmbH działająca w tej branży zdecydowała się na inwestycję w próżniowe kolektory słoneczne (o powierzchni 400 m2), które poza wykorzystaniem w procesie galwanizacji (kąpiele o temperaturze 80–90°C) wspomagają ogrzewanie budynku oraz dostarczają ciepłą wodę użytkową. W efekcie uzyskano zmniejszenie zużycia gazu o 30–40% w skali roku. Dzięki zmniejszeniu emisji dwutlenku węgla firma otrzymała także ulgi podatkowe od władz miasta.

Możliwości zwiększenia zastosowania kolektorów słonecznych

Ze względu na skomplikowane procesy technologiczne w przemyśle, a zwłaszcza wysoki poziom wymaganych temperatur, konieczne stało się rozpoczęcie prac zmierzających do wykorzystania ciepła słonecznego również tam, gdzie standardowe kolektory słoneczne nie mogły znaleźć zastosowania. Prowadzono je między innymi przy wsparciu Unii Europejskiej.

Głównym celem prac rozwojowych było uzyskanie wyższych temperatur roboczych w kolektorach, również przy słabszym nasłonecznieniu. Podstawą tych prac były założenia przedstawione graficznie na rys. 6. Na wykresie sprawności kolektorów pokazano zmiany wynikające z zastosowania pojedynczej, podwójnej lub potrójnej szyby/powłoki antyrefleksyjnej w płaskim kolektorze słonecznym. Widać, że zastosowanie pojedynczej szyby/powłoki antyrefleksyjnej (1 AR) prowadzi do poprawy krzywej sprawności w całym zakresie pracy kolektora. 

Szyba podwójna (2 AR) lub potrójna (3 AR) może prowadzić do obniżenia sprawności optycznej w porównaniu do szyby z pojedynczą powłoką antyrefleksyjną, ale krzywa sprawności w obszarze temperatur roboczych 80–120°C jest znacznie korzystniejsza niż w przypadku kolektora z pojedynczą powłoką. Można szacunkowo przyjąć, że parametry polepszą się o ok. 30%. Prekursorami zastosowania podwójnej szyby były firmy niemieckie i austriackie.

Z kolei na podstawie doświadczeń związanych z zastosowaniem luster CPC w kolektorach próżniowych powstała koncepcja wykorzystania ich w zamkniętej komorze. Umożliwiło to przede wszystkim odizolowanie luster od otoczenia, a tym samym uniknięcie znanych problemów związanych ze starzeniem się luster i ich zanieczyszczeniem. Powstał kolektor płaski, który przedstawiono schematycznie na rys. 7.

Podobny kolektor został skonstruowany w Niemczech, przy czym założono wykonanie obudowy jako całkowicie szczelnej, co umożliwia wprowadzenie do wnętrza kolektora gazu szlachetnego lub wykonanie go jako próżniowego (rys. 8). Dzięki zwiększeniu temperatury roboczej kolektorów tego typu możliwe jest ich wykorzystanie w instalacjach wspomagania ogrzewania lub w procesach technologicznych w przemyśle, w których wymagane jest zastosowanie wyższych temperatur.

Podsumowanie

Zastosowanie kolektorów słonecznych w instalacjach przemysłowych, które wymagają maksymalnych temperatur w wysokości 80°C, nie stanowi praktycznie żadnego problemu. Możliwe jest jednak również wykorzystanie specjalnych rozwiązań kolektorów płaskich oraz próżniowych w wyższym zakresie temperatur. Pojawiły się również nowe rozwiązania techniczne kolektorów słonecznych, które można wykorzystać w instalacjach specjalnego przeznaczenia.

Literatura

1. www.solar-process-heat.eu.
2. www.iea-ship.org.
3. www.solarfocus.at.
4. www.zae-bayern.de.
5. Medium Temperature Collectors Task 33/2005, www.iea-ship.org.