Technologie odzysku ciepła

Zasady działania odzysku ciepła

Wymienniki ciepła

Wymienniki ciepła są jedną z najpopularniejszych metod odzysku ciepła w przemyśle. Ich działanie polega na transferze ciepła z jednego medium (np. spalin, wody chłodzącej) do innego medium (np. wody użytkowej, powietrza) w celu wykorzystania tego ciepła do innych procesów. Wymienniki ciepła mogą być różnego rodzaju, w zależności od rodzaju mediów i wymaganych parametrów:

• Wymienniki płaszczowo-rurowe – stosowane w przypadkach, gdy wymagane są duże powierzchnie wymiany ciepła, np. przy wysokiej temperaturze spalin. Powietrze lub woda przepływa przez rury, a ciepło jest transferowane na zewnątrz.
• Wymienniki płytowe – używane, gdy zachodzi potrzeba odzysku ciepła w układach o mniejszych wymiarach. Płyty wymienników są ułożone w taki sposób, by umożliwić jak najlepszy kontakt z czynnikiem oddającym temperaturę.

Pompy ciepła

Pompy ciepła to urządzenia, które umożliwiają przekazanie ciepła z medium o niższej temperaturze (np. odpadowe ciepło z procesów przemysłowych) do medium o wyższej temperaturze, np. systemu ogrzewania, przy wykorzystaniu niewielkiej ilości energii elektrycznej. Dzięki temu, możliwe jest uzyskanie znacznej ilości ciepła z niskotemperaturowych źródeł odpadowych. Istnieją różne rodzaje pomp ciepła:

• Pompy ciepła typu powietrze-woda – odzyskują ciepło z powietrza lub spalin i przekazują je do wody, która następnie może być używana w systemie grzewczym.
• Pompy ciepła typu woda-woda – wykorzystują wodę jako źródło ciepła, dzięki czemu są idealne do odzysku ciepła z wód gruntowych, zbiorników wodnych, ścieków lub procesów technologicznych.
• Pompy ciepła typu powietrze-powietrze – najczęściej służą do odzysku ciepła z powietrza zewnętrznego i przekazywania go do wnętrza budynku w postaci ogrzanego powietrza.

Kogeneracja

Kogeneracja to proces jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i ciepła. Stosowana jest w zakładach przemysłowych, które potrzebują zarówno energii elektrycznej, jak i ciepła w postaci pary lub gorącej wody. W kogeneracji wykorzystuje się ciepło odpadowe powstałe przy produkcji energii elektrycznej np. w silniku spalinowym, które może być skierowane do innych procesów przemysłowych, takich jak ogrzewanie budynków, produkcja pary czy podgrzewanie wody.

Odzysk ciepła z gazów odlotowych

Odzysk ciepła z gazów odlotowych to proces, w którym ciepło tracone w spalinach lub innych gorących gazach przemysłowych jest ponownie wykorzystywane. Działa to poprzez specjalne wymienniki ciepła, które pobierają energię z gorących gazów i przekazują ją do innych procesów, np. do podgrzewania wody, powietrza lub surowców. Dzięki temu zmniejsza się zużycie paliwa i koszty produkcji, a także emisja zanieczyszczeń do atmosfery. W zależności od technologii odzysku, można wykorzystać np. rekuperatory (do ogrzewania powietrza), ekonomizery (do podgrzewania wody) lub inne specjalistyczne instalacje w zależności od możliwości technologicznych.

Jakie są korzyści odzyskiwania ciepła?

Odzysk ciepła, szczególnie w dużych i energochłonnych firmach niesie ze sobą wiele korzyści, zarówno ekonomicznych, jak i ekologicznych. Najważniejszą zaletą jest redukcja kosztów energii. Dzięki ponownemu wykorzystaniu ciepła odpadowego, firmy mogą znacznie obniżyć zapotrzebowanie na energię z zewnętrznych źródeł, co przekłada się na mniejsze rachunki za energię. Odzysk ciepła może również prowadzić do zmniejszenia zużycia paliw kopalnych, co pozwala zmniejszyć ślad węglowy przedsiębiorstwa i realizować strategię zrównoważonego rozwoju.

Dodatkowo, zastosowanie odzysku ciepła poprawia efektywność energetyczną procesów przemysłowych, umożliwiając pełne wykorzystanie energii generowanej w zakładzie. Wykorzystanie ciepła odpadowego do ogrzewania pomieszczeń, produkcji pary czy w innych procesach technologicznych zmniejsza konieczność inwestowania w dodatkowe źródła energii.

W kwestii środowiska, odzysk ciepła ma także duży wpływ na zmniejszenie emisji CO₂. Ponieważ zmniejsza zapotrzebowanie na paliwa kopalne, prowadzi do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych i zmniejszenia śladu węglowego przedsiębiorstwa. Dzięki temu, firmy mogą skuteczniej spełniać wymagania związane z regulacjami ekologicznymi i podnosić swoje wyniki w obszarze ESG (Environmental, Social, and Governance).

Jeśli nie masz pewności, czy w Twoim zakładzie istnieje możliwość odzysku ciepła, warto zacząć od audytu Walk Through (WTA), który pozwala szybko ocenić potencjał oszczędności i wskazać obszary wymagające dalszej analizy. Jeśli natomiast wiesz, że w Twoim procesie technologicznym powstaje ciepło nadające się do odzysku, kluczowe jest znalezienie sposobu na jego efektywne wykorzystanie. Ponieważ modernizacje systemów energetycznych mogą wiązać się z wysokimi kosztami, warto przeprowadzić studium wykonalności, które umożliwi zaprojektowanie odzysku w sposób maksymalizujący korzyści i optymalizujący nakłady inwestycyjne.

Z czym musisz się liczyć przy odzysku ciepła?

Odzysk ciepła w przemyśle ma również pewne wady i ograniczenia, które mogą wpłynąć na jego opłacalność i efektywność w określonych warunkach. Jednym z głównych wyzwań związanych z wdrażaniem systemów odzysku ciepła są koszty inwestycyjne. Instalacja wymienników ciepła, pomp ciepła czy systemów kogeneracji wiąże się z wysokimi nakładami finansowymi na sprzęt, montaż oraz ewentualne modyfikacje istniejącej infrastruktury. Choć te koszty mogą się zwrócić w ciągu kilku lat, dla niektórych firm stanowią one istotną barierę.

Po drugie, odzysk ciepła nie zawsze jest odpowiedni dla każdej branży przemysłowej. Technologie te najlepiej sprawdzają się w zakładach, które generują duże ilości ciepła odpadowego w wyniku procesów takich jak spalanie, suszenie, topnienie metali czy produkcja pary. W branżach, w których procesy wytwarzają mało ciepła odpadowego lub gdzie jest nadmiar ciepła niskotemperaturowego, takie działanie może być nieefektywne i mało opłacalne. 
W niektórych przypadkach odzysk ciepła może okazać się mniej elastyczny niż inne systemy grzewcze. Na przykład, pompy ciepła są najbardziej efektywne w określonym zakresie temperatur, ale ich wydajność spada, gdy różnica temperatur pomiędzy źródłem a medium grzewczym jest zbyt duża. Ponadto, odzysk ciepła z niektórych procesów przemysłowych może być ograniczony, gdy procesy produkcyjne charakteryzują się zmiennym obciążeniem energetycznym, co wpływa na niestabilność działania systemu odzysku.

Ostatecznie, decyzja o wdrożeniu systemu odzysku ciepła powinna być dokładnie przemyślana, uwzględniając specyfikę procesów, koszty początkowe oraz długoterminowe korzyści. W niektórych przypadkach, pomimo potencjału oszczędności, technologie odzysku ciepła mogą nie być odpowiednie lub zbyt kosztowne do implementacji.

W jakich branżach sprawdzi się odzysk ciepła?

Odzysk ciepła może być zastosowany w wielu branżach przemysłowych, szczególnie tych, których procesy wymagają wysokich temperatur do obróbki produktu, w tym:

• przemysł chemiczny – produkcja chemikaliów, rafinacja ropy, produkcja nawozów, gdzie wytwarzane są duże ilości ciepła odpadowego. Również tam, gdzie zachodzą reakcje chemiczne egzotermiczne;
• przemysł metalurgiczny – w procesach takich jak topienie, hartowanie czy produkcja stali, gdzie generowane jest wysokotemperaturowe ciepło odpadowe;
• przemysł spożywczy – w procesach gotowania, suszenia, pasteryzacji, gdzie również występuje możliwość odzysku ciepła;
• przemysł papierniczy – w produkcji papieru ciepło traconej jest do otoczenia w procesach suszenia i obróbki wstępnej;
• energetyka – w elektrowniach, gdzie możliwe jest wykorzystanie ciepła z chłodzenia turbin czy spalin kotłów.

Case study odzysku ciepła w branży automotive

Koszt: ok. 6,7 mln zł

Oszczędności: ok. 3,4 mln zł

Okres zwrotu: ok. 2 lata

Redukcja emisji: ok. 2 300 ton CO₂ rocznie

Ilość zaoszczędzonej energii: ok. 7 600 MWh rocznie

W firmie z branży motoryzacyjnej, zajmującej się produkcją komponentów do samochodów osobowych, przeprowadziliśmy audyt energetyczny, w trakcie którego zidentyfikowaliśmy 19 działań mogących w sposób opłacalny poprawić efektywność energetyczną zakładu. Jednym z analizowanych rozwiązań było wykorzystanie ciepła odpadowego z procesu chłodzenia żeliwnych elementów po odlaniu, które wymagają obniżenia temperatury do poziomu otoczenia.

Dotychczas odlewy chłodzone były samoczynnie. Aby ocenić potencjał marnowanego ciepła, nasi inżynierowie przeprowadzili test, który pokazał, że 1 stojak z odlewami jest w stanie zagotować 1 m3 wody w ciągu 40 minut! Wykorzystując to ciepło do zasilania chłodniczego agregatu absorpcyjnego, produkcja wody lodowej wykorzystywanej w procesie technologicznym jest bardziej efektywna i zużywa mniej energii elektrycznej.

Roczna oszczędność energii termicznej wynosi ponad 7 600 MWh, co odpowiada rocznemu zużyciu energii przez ponad 4 200 polskich gospodarstw domowych. Dotychczas wytwarzanie chłodu odbywało się przy użyciu energii elektrycznej, a dzięki tej inwestycji energia ta nie będzie już pobierana z Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. To oznacza, że nie będzie konieczności jej produkcji, co w rezultacie eliminuje gazy cieplarniane wyemitowane przez elektrownie węglowe w procesie wytwarzania energii elektrycznej - redukcja dwutlenku węgla wynosi w tym przypadku około 2300 ton CO₂ rocznie.

Podsumowując - odzysk ciepła to innowacyjna metoda, która pozwala przemysłowi nie tylko na zmniejszenie kosztów energii, ale także na osiągnięcie lepszej efektywności energetycznej i zmniejszenie emisji CO₂. Wybór odpowiedniej technologii, jej integracja z procesami przemysłowymi oraz optymalizacja kosztów to ważne czynniki, które decydują o sukcesie inwestycji. Choć początkowe koszty instalacji mogą być wysokie, długoterminowe korzyści, takie jak stosunkowo krótki okres zwrotu i redukcja kosztów energii, sprawiają, że odzysk ciepła jest opłacalnym rozwiązaniem dla wielu branż przemysłowych.