Ignorowany dotąd recykling energii z procesów przemysłowych zyskuje na znaczeniu
Około dwie trzecie całkowitej energii zużywanej w procesach przemysłowych jest przekształcane na ciepło. Mniej więcej jedna trzecia z energii potrzebnej w przemyśle ulega rozproszeniu do otoczenia. Mimo że te liczby robią wrażenie, wciąż za mało inwestuje się w technologie odzysku ciepła odpadowego. Wynika to z tego, że większość traconej energii ma niską jakość. Przy zastosowaniu obecnych technologii zbieranie niskiej jakości energii cieplnej do ponownego wykorzystania w innym miejscu jest dla zakładu przemysłowego niepraktyczne lub nieopłacalne. Uczestnikom finansowanego przez UE projektu Indus3Es udało się opracować ekonomiczny system, który sprosta tym wyzwaniom. Absorpcyjne transformatory ciepła (ang. absorption heat transformers, AHT) maksymalizują odzysk ciepła w temperaturach poniżej 150 °C. Złożony z nich system został zainstalowany i zaprezentowany w rzeczywistych warunkach przemysłowych na terenie tureckiego zakładu petrochemicznego Tüpraş. Było to jedno z pierwszych w Europie wdrożeń systemu AHT w ostatnich latach.
Odzyskiwanie ciepła odpadowego możliwe także w niskich temperaturach
Kluczem do tego, by odzyskiwanie ciepła odpadowego było wykonalne technicznie i opłacalne, jest zrozumienie charakteru uczestniczącej w tym procesie energii. Rozkład temperatur ciepła odpadowego różni się w zależności od rodzaju przemysłu. Zasadniczo znaczna ilość ciepła odpadowego w większości branż pochodzi ze źródeł o temperaturze poniżej 200 °C. Ekonomicznie opłacalne technologie odzyskiwania i rewitalizacji ciepła odpadowego ograniczały się jednak dotąd głownie do źródeł ciepła o średniej lub wysokiej temperaturze. „System AHT opracowany w ramach projektu Indus3Es sprawnie odzyskuje i nadaje wartość ciepłu odpadowemu ze źródeł o niskiej temperaturze, zapewniając przy tym konkurencyjną cenę całego procesu. Wykorzystując strumień odpadowy o temperaturze około 100 °C, generuje on strumień o wyższej temperaturze, który można wykorzystać w procesach rafinacji. W sumie zagospodarowuje on w przybliżeniu 50 % ciepła ze źródeł o niskiej temperaturze, które w przeciwnym razie trafiłoby do atmosfery”, wyjaśnia Asier Martinez-Urrutia, badacz uczestniczący w projekcie.
Ogólne zasady działania
Cykle pracy transformatora AHT są przeciwieństwem cykli chłodziarki absorpcyjnej, która wykorzystuje ciepło do chłodzenia. Oba urządzenia składają się z kondensatora, parownika, absorbera i generatora. Różnica polega na tym, że absorber i parownik w systemie AHT działają pod wysokim ciśnieniem, a kondensator i generator – pod niskim. System Indus3Es może wytworzyć źródło ciepła o wysokiej temperaturze, nadające się do ponownego wykorzystania. Temperatura takiego źródła jest wyższa niż temperatura źródła emitującego niskiej jakości ciepło odpadowe. Ostatecznie system podnosi temperaturę przetwarzanego strumienia z 65 °C do 135 °C. Bazując na wiedzy o działaniu chłodziarek absorpcyjnych, uczestniczący w projekcie naukowcy wprowadzili kilka innowacji w opracowanym systemie. Wdrożyli między innymi rozwiązanie umożliwiające pracę w dwóch trybach absorpcji adiabatycznej, bezsilnikowy układ czyszczący do usuwania niepożądanych nieskraplających się gazów i innowacyjny układ automatycznego sterowania oparty na równaniu charakterystycznym.
Komercjalizacja technologii
„Wykorzystanie przemysłowego ciepła odpadowego może pozwolić na redukcję zapotrzebowania na paliwa kopalne i poprawić sprawność niezliczonych procesów”, wskazuje Martinez-Urrutia. „Nasz system AHT umożliwia ogromny wzrost efektywności energetycznej w branżach energochłonnych, a zwłaszcza w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym, celulozowniach i zakładach papierniczych, sektorze żywności i napojów oraz w rafineriach”. Pierwsze obserwacje działania systemu przyniosły obiecujące wyniki i to nie tylko w zakresie oszczędności energii pierwotnej i redukcji emisji CO2. „Wykazaliśmy, że okres zwrotu kosztów systemu o mocy 200 kW jest o wiele krótszy niż 10 lat, co jest bardzo dużą zaletą pierwszego prototypu o mocy 200 kW. Według naszych obliczeń inwestycja w gotowy do wprowadzenia na rynek sprzęt powinna zwrócić się w ciągu sześciu lat”, dodaje Martinez-Urrutia. Naukowcy stawiają sobie teraz za cel przygotowanie systemów, które będą działać na jeszcze większą skalę. Reasumując, Martinez-Urrutia deklaruje, że „okres zwrotu z inwestycji w system AHT o mocy 1 MW zostałby skrócony do dwóch lat”. Uzyskanie większej wydajności przyczyniłoby się do znaczącego upowszechnienia rozwiązań AHT w sektorach energochłonnych.
Słowa kluczowe
Indus3Es, ciepło odpadowe, absorpcyjny transformator ciepła, niska temperatura, odzysk ciepła odpadowego, energia w przemyśle, chłodziarka absorpcyjna, przemysł energochłonny, efektywność energetyczna