Akademia automatyki

Energia w obiegu

Szacuje się, że 50 do 80% energii wykorzystywanej w przemyśle lekkim, tracimy  w postaci ciepła w temperaturze poniżej 200°C lub nawet w temperaturach poniżej 90°C. Oznacza to, że mamy sporo energii, którą możemy powtórnie wykorzystać.

Stojąc w obliczu galopujących cen energii i konieczności dekarbonizacji, należy wprowadzić w przemyśle po kolei każdy z 3 etapów:

1. Optymalizacja wydajności systemu poprzez wykorzystanie ciepła odpadowego.
2. Zminimalizowanie zapotrzebowania na energię w procesie.
3. Dekarbonizacja głównego źródła energii – dopiero po zrealizowanie dwóch pierwszych etapów.

Dlaczego pompy ciepła?

Ciepło odpadowe z procesów grzewczych często można odzyskać jedynie za pomocą wymienników ciepła. Jeżeli mamy do czynienia z zanieczyszczonym powietrzem procesowym, może to być niezwykle trudne do przeprowadzenia. Ponadto ciepło odpadowe jest często dostępne w temperaturach niższych niż wymagania procesu, dlatego jego parametry muszą być podwyższane. Tu swoją rolę odgrywa pompa ciepła. Przy wykorzystaniu energii elektrycznej uruchamiane są kompresory pompy, których zadaniem jest zwiększenie temperatury ciepła odpadowego do wymaganych poziomów.

Technologia stosowana w pompach ciepła opiera się na krążącym czynniku roboczym – chłodziwie, które na przemian paruje i skrapla się. Czynnik roboczy pompy wpływa do niskotemperaturowego wymiennika ciepła lub parownika. Tam następuje odparowanie pod niskim ciśnieniem i pochłanianie ciepła ze źródła ciepła. Źródłem może być dowolne stałe ciepło odpadowe. Następnie dzięki sprężarce zwiększa się ciśnienie i temperatura czynnika roboczego do wymaganej temperatury skraplania. Czynnik roboczy wpływa do wysokotemperaturowego wymiennika ciepła w formie wysokotemperaturowego gazu. Tam oddaje pochłonięte wcześniej ciepło do odbiornika ciepła poprzez kondensację pod wysokim ciśnieniem, czego efektem jest ciecz o wysokiej temperaturze lub gorąca woda.

Zalety pomp ciepła

Najważniejszą zaletą pomp ciepła jest ich wydajność. Energia elektryczna konieczna do zasilania pompy zazwyczaj stanowi tylko 25–30% całkowitego zużycia energii. Co więcej, prawie całą tą energię ostatecznie przekształcamy w ciepło użyteczne. Warto zauważyć, że większość energii wyjściowej z pompy pochodzi z odzyskanego ciepła odpadowego o niskich parametrach. Najczęściej pompy ciepła wykorzystywane w obiegu zamkniętym, to pompy o średniej mocy, oscylującej między 0,5 MW a 2 MW na jednostkę. Stosuje się w nich różnego typu czynniki robocze, które powinny być bezpieczne dla środowiska.

Stosunek ilości energii elektrycznej zużywanej przez pompę do dostarczanego ciepła określa współczynnik wydajności COP (z ang. Coeffi cient of Performance). Im COP jest większy, tym uzyskanie tej samej ilości ciepła wymaga mniejszego nakładu energii elektrycznej. Co oczywiste, COP związany jest więc ze wzrostem temperatury ciepła odpadowego. Pompy ciepła wytwarzające niższe temperatury wyjściowe wymagają mniej energii elektrycznej, więc współczynnik COP jest wyższy.