Wykorzystanie przemysłowego ciepła odpadowego

Wykorzystanie ciepła odpadowego w przedsiębiorstwach przemysłowych ma bardzo duży potencjał w zakresie efektywności energetycznej, co po wdrożeniu tego procesu ma nie tylko pozytywne skutki ekologiczne, lecz również ekonomiczne.

GETEC-Heizkraftwerk Fürstenwalde

W czasach rosnącej świadomości ekologicznej, jak również wzmożonej dyskusji na temat zrównoważonego rozwoju i związanej z nim ochrony paliw kopalnych, temat efektywności energetycznej cieszy się coraz większą uwagą przemysłu energetycznego. Oba tematy są ściśle powiązane.
Do zwiększenia wydajności energetycznej instalacji służących do wytwarzania energii użytecznej istnieją dwie możliwości. Oprócz odnowy lub modernizacji instalacji, w zależności od okoliczności także wykorzystanie dotychczas niewykorzystanych potencjałów energetycznych, takich jak ciepło odpadowe, może przyczynić się do zwiększenia uzysku energii z pierwotnych źródeł energii, a tym samym do zwiększenia efektywności energetycznej.

Informacje ogólne

Ciepło odpadowe to ciepło wytwarzane przez organizmy żywe lub instalacje techniczne w ramach procesów i oddawane do środowiska. Jest ono spowodowane nieefektywnym wyposażeniem lub sterowaniem procesami oraz ograniczeniami termodynamicznymi.

Klasyfikacja jest dokonywana w oparciu o występujący poziom temperatury i obejmuje:

  • niskotemperaturowe ciepło odpadowe: < 150 °C
  • średniotemperaturowe ciepło odpadowe: 150 do 500 °C
  • wysokotemperaturowe ciepło odpadowe: > 500 °C

Największy niewykorzystany potencjał ciepła odpadowego można znaleźć w sektorze przemysłowym. Szczególnie w przypadku bardzo energochłonnych procesów produkcyjnych często pojawiają się źródła ciepła odpadowego, gdzie użyteczna energia wytworzona z pierwotnych źródeł energii jest oddawana do środowiska w postaci przemysłowego ciepła odpadowego jako strata energii.

W poniższych przykładach wymieniono kilka sektorów przemysłu wraz z występującymi tam poziomami temperatury ciepła odpadowego.

Wysoka temperatura

huty metali
przemysł metalurgiczny
przemysł szklarski
przemysł ceramiczny
przemysł kamieniarski

Średnia temperatura

przemysł wydawniczy i poligraficzny
przemysł papierniczy
przemysł cementowy
przemysł tworzyw sztucznych
przemysł włókienniczy
przemysł tytoniowy
przemysł spożywczy

Niska temperatura

w praktycznie wszystkich gałęziach przemysłu

Technologie wykorzystania przemysłowego ciepła odpadowego

Istnieją tu liczne technologie, które przekształcają dotychczas niewykorzystaną energię na energię użyteczną. Poniżej przedstawione zostały najważniejsze technologie i metody.

Jest to najbardziej efektywne i jednocześnie najprostsze technologiczne podejście do odzyskiwania ciepła odpadowego. Ciepło odpadowe jest pobierane ze strumienia spalin np. przez wymiennik ciepła i przekazywane do innego medium. Nośnikiem ciepła może być przy tym gorąca woda, olej termiczny, para wodna lub płyn w stanie lotnym. Przenoszone ciepło jest transportowane przez nośnik ciepła do istniejących radiatorów, gdzie jest dalej wykorzystywane.

To, który nośnik ciepła jest odpowiedni i jakie parametry (ciśnienie, temperatura, itp.) są wymagane, zależy od dostępnych radiatorów. Ciepło odpadowe może być zatem wykorzystane do wytworzenia ciepła procesowego w postaci pary lub oleju termicznego, zastępując wykorzystanie pierwotnych źródeł energii. Kolejnym obszarem zastosowania może być zapewnienie ogrzewania. Krajowy program efektywności energetycznej niemieckiego banku rozwoju KfW „Ciepło odpadowe” promuje dostarczanie odzyskanego ciepła odpadowego do istniejącej sieci ciepłowniczej. Przy korzystaniu z palenisk w procesie produkcji, odprowadzone ciepło odpadowe może być wykorzystane na przykład do wstępnego podgrzania powietrza do spalania, co również prowadzi do oszczędności pierwotnych nośników energii. Wykorzystanie ciepła odpadowego poprzez bezpośredni odzysk ciepła i przemieszczanie ciepła charakteryzuje się bardzo wysoką sprawnością. Straty są ograniczone wyłącznie do strat podczas wymiany ciepła. Z ekonomicznego punktu widzenia nakłady finansowe są stosunkowo niewielkie w porównaniu do zysków energetycznych.

Ciepło odpadowe jest przetwarzane na energię elektryczną zgodnie z przedstawioną powyżej koncepcją odzysku ciepła. Jeśli nie ma radiatorów, które mogą wykorzystać użyteczną energią wytworzoną z ciepła odpadowego, nośnik ciepła może być wykorzystany do przekształcenia go na energię elektryczną. Do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystywane są zazwyczaj dwie technologie. Energia elektryczna jest wytwarzana przez obieg wodno-parowy wykorzystujący turbinę parową bądź przez obieg oleju termicznego lub gorącej wody, który zasila ORC (Organic Rankine Cycle) w celu wytworzenia energii elektrycznej.

Wykorzystanie ciepła odpadowego za pomocą turbiny parowej

Gdy ciepło odpadowe jest przetwarzane na energię elektryczną za pomocą turbiny parowej, wytwarzana jest para wodna. Ta para jest następnie rozprężana w turbinie parowej. Wytwarza to energię elektryczną, która może być na przykład wprowadzana do sieci zakładowej w celu pokrycia części zapotrzebowania na energię elektryczną. Pozwala to zredukować ilość energii elektrycznej nabywanej z sieci publicznej i tym samym zaoszczędzić związanych z kosztów. Ponieważ wytwarzanie pary jest stosunkowo materiałochłonne ze względu na niski poziom egzergii, a sprawność turbiny parowej jest bardzo silnie uzależniona od parametrów pary, takich jak temperatura i ciśnienie, wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą turbiny parowej jest zwykle wykorzystywane jedynie przy temperaturach ciepła odpadowego powyżej 300 °C. Stopień sprawności turbiny parowej wynosi od 20 do 30%.

ORC – Organic Rankine Cycle

Wytwarzanie energii elektrycznej przy wykorzystaniu ORC opiera się w dużej mierze na sposobie działania turbiny parowej. Różnica w stosunku do turbiny parowej polega na cieczy roboczej, która w ORC jest medium organicznym zamiast wody, jak w przypadku turbiny parowej. To organiczne medium ma inne właściwości termodynamiczne niż woda i może być odparowywane w niższych temperaturach i ciśnieniach. Dlatego w połączeniu z ORC do wytwarzania energii elektrycznej można wykorzystywać temperaturę ciepła odpadowego już od 90 °C. W zależności od poziomu temperatury zastosowaniu ORC pozwala osiągnąć sprawność rzędu 24%.

Ciepło odpadowe może być również wykorzystywane do chłodzenia lub klimatyzacji budynków lub etapów procesu. W tym celu jest ono odbierane w celu transferu ciepła w niskiej temperaturze do nośnika ciepła. Niskotemperaturowy system ogrzewania może być następnie wykorzystany w sorpcyjnej instalacji chłodniczej do wytwarzania zimnej wody.

W chłodniach sorpcyjnych zimna woda jest wytwarzana w procesie absorpcji lub adsorpcji, a następnie udostępniana do dalszych zastosowań. W ten sposób można zastąpić zimno z konwencjonalnych sprężarkowych systemów chłodniczych i ich zapotrzebowanie na energię elektryczną.

Ten sposób umożliwia podniesienie poziomu temperatury ciepła użytecznego przez dostarczanie energii o wyższej wartości w celu umożliwienia wykorzystania. Energią o wyższej wartości może być energia elektryczna lub ciepło na wysokim poziomie temperatury, które jest podnoszone za pomocą sprężarkowych pomp ciepła lub sorpcyjnych pomp ciepła na przykład do ogrzewania nieruchomości lub do zastosowania w procesie produkcyjnym.

Poza opisanymi powyżej technologiami wykorzystania ciepła odpadowego w przemyśle, istnieją inne technologie, które są stosowane rzadziej ze względu na specjalne parametry.

Na przykład:

  • wytwarzanie energii za pomocą silnika Stirlinga
  • wytwarzanie energii za pomocą elementów termoelektrycznych (efekt termoelektryczny Seebecka)
  • transformacja ciepła

Wykorzystywanie przemysłowego ciepła odpadowego: kryteria użyteczności

Aby zdecydować, która technologia może być wykorzystana do odzysku ciepła odpadowego, istnieją różne kryteria ograniczające dobór możliwych technologii.

Poziom temperatury istniejącego źródła ciepła odpadowego jest jednym z najważniejszych czynników przy wyborze odpowiedniej technologii wykorzystania tego ciepła w przemyśle.

Ogólnie można stwierdzić, że wytwarzanie energii elektrycznej ma zazwyczaj sens jedynie w przypadku średniej i wysokiej temperatury ciepła odpadowego. W przypadku pomp ciepła, systemów chłodniczych i transformacji ciepła można również wykorzystać ciepło odpadowe o niskiej temperaturze. Odzyskiwanie/przenoszenie ciepła jest możliwe na wszystkich poziomach temperatury.

 

Na rysunku przedstawiono zarówno klasyfikację technologii według poziomu temperatury, jak i wydajności instalacji (w odniesieniu do wytworzonej energii użytecznej).

Moc cieplna ciepła odpadowego ma decydujące znaczenie dla wielkości aparatury i ekonomicznej sensowności systemu wykorzystania tego ciepła. Im wyższa jest dostępna moc cieplna ciepła odpadowego, tym wyższa będzie również wydajność energetyczna.

Moc cieplna ciepła odpadowego zależy głównie od następujących czynników:

  • strumień objętości (spaliny, płyn)
  • temperatura przed wymiennikiem ciepła
  • możliwa temperatura za wymiennikiem ciepła
  • skład gazów spalinowych/płynów

  

Moc cieplną ciepła odpadowego można określić na podstawie różnicy temperatury przed i za wymiennikiem ciepła w połączeniu ze strumieniem objętości. Skład gazów spalinowych/płynów określa zawartość ich energetyczną, a tym samym również dostępną do odprowadzenia moc cieplną. Ponadto mogą się w nich znajdować substancje korozyjne, które muszą być brane pod uwagę przy wyborze materiału wymiennika ciepła i które wpływają na koszty inwestycyjne.

Dla optymalnego i prostego wykorzystania ciepła odpadowego w przemyśle korzystne jest, jeśli zaopatrzenie w ciepło poprzez wykorzystanie ciepła odpadowego odpowiada zapotrzebowaniu. W przeciwnym razie konieczne są nośniki magazynowe jako bufor. W przypadku wytwarzania energii elektrycznej magazynowanie nie jest jeszcze ekonomicznie opłacalne. Dlatego też, jeśli odbiór prądu elektrycznego jest zbyt niski, nadmiar prądu musi być wprowadzany do sieci publicznej. Ogólnie możliwa jest również praca instalacji wykorzystującej ciepło odpadowe z obciążeniem częściowym.

Okres użytkowania systemu odzysku ciepła odpadowego zależy bezpośrednio od dostępności źródła ciepła odpadowego. Dla ekonomicznej eksploatacji systemu odzysku ciepła odpadowego ważny jest możliwie jak najdłuższy i ciągły okres użytkowania. Ilość wytworzonej energii użytkowej jest wykorzystywana do refinansowania nakładów finansowych na system odzysku ciepła odpadowego. Oznacza to, że im dłuższy jest okres użytkowania, tym krótszy jest okres amortyzacji inwestycji.

Nieciągła dostępność ciepła odpadowego powoduje wzrost częstości procesów rozruchu i wyłączania systemu wykorzystania ciepła odpadowego. W ten sposób materiał jest poddawany zwiększonym obciążeniom termicznym. Może to prowadzić do zwiększenia nakładów na konserwację i naprawę systemu odzysku ciepła odpadowego.

Oprócz wyżej wymienionych kryteriów istnieją inne czynniki, które mają wpływ na wybór technologii pod względem energetycznym i ekonomicznym. Obejmuje to warunki przestrzenne na miejscu. Źródło ciepła odpadowego powinno być zlokalizowane w pobliżu radiatora, aby utrzymać koszty inwestycji na jak najniższym poziomie.

Innym czynnikiem jest koncentracja. Wykorzystanie jednego skoncentrowanego źródła ciepła odpadowego jest znacznie łatwiejsze i bardziej opłacalne niż wykorzystanie kilku źródeł rozproszonych.

  

Ekologiczne i ekonomiczne korzyści z wykorzystania ciepła odpadowego

Z ekologicznego punktu widzenia energia użytkowa z ciepła odpadowego jest energią użytkową neutralną pod względem emisji CO2. Do przekształcenia na energię użytkową nie są potrzebne żadne dodatkowe nośniki energii pierwotnej. Innym aspektem ekologicznym jest fakt, że uzyskana energia użytkowa zastępuje energię z innych źródeł energii, które do przetworzenia wymagają nośników energii pierwotnej. Zastąpienie to zmniejsza zużycie energii pierwotnej na przykład do wytwarzania ciepła procesowego, energii elektrycznej lub ciepła grzewczego.

Zastąpienie energii użytecznej ma również skutki ekonomiczne. Oszczędzając energię cieplną lub elektryczną, która musiałaby być dostarczana poprzez alternatywne wytwarzanie, można zaoszczędzić koszty paliwa lub energii elektrycznej. Koszty energii są często ważnym czynnikiem kosztowym i znacząco wpływają na konkurencyjność przedsiębiorstw produkcyjnych na rynku. W przeciwieństwie do nabywania energii ze źródeł publicznych, koszty przetwarzania ciepła odpadowego na energię użytkową są obliczalne w perspektywie długoterminowej. Zmniejsza to zależność od rynku energii i ryzyko nieobliczalnych podwyżek cen. Ponadto dostarczenie ciepła procesowego poprzez wykorzystanie ciepła odpadowego może prowadzić do zmniejszenia liczby wymaganych certyfikatów CO2, co z kolei zapewnia oszczędność kosztów eksploatacji.


GETEC – Twój partner w zakresie wykorzystania ciepła odpadowego w przemyśle

Przemysł utylizacji ciepła odpadowego ma ogromny potencjał do znacznego zwiększenia efektywności energetycznej procesów produkcyjnych w wielu branżach oraz do zmniejszenia zużycia paliw kopalnych. Technologie wykorzystywane przez GETEC do odzysku ciepła odpadowego są sprawdzonymi i solidnymi aplikacjami, które odpowiadają aktualnemu stanowi techniki i zapewniają długi okres użytkowania technicznego. Wykorzystanie ciepła odpadowego jest zrównoważonym i przyjaznym dla środowiska sposobem oszczędzania zasobów i zwiększania efektywności energetycznej.

W dłuższej perspektywie ceny paliw kopalnych będą rosły. Można temu przeciwdziałać przez system odzysku ciepła odpadowego, który pozwala zaoszczędzić koszty paliwa i zmniejszyć zależność od rynków dostaw publicznych poprzez wytwarzanie energii użytecznej we własnym zakresie. Dlaczego nie skorzystać z wieloletniego know-how GETEC?

Żyjemy w partnerstwie
Znajdź swoją osobę do kontaktów.

Za sprawą około 30 oddziałów w Niemczech i Europie jesteśmy zawsze blisko klienta.
Zapraszamy do kontaktu. Jesteśmy do Państwa dyspozycji.

Szukasz kontaktu w swojej okolicy?
Po prostu wprowadź kod pocztowy.
Karte wird geladen...