Poprawa efektywności energetycznej (2). Energia odpadowa

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa  zobacz pdfa zobacz pdfa

Pod pojęciem energii odpadowej ukrywa się energia bezużytecznie odprowadzana do otoczenia, pomimo tego, że dzięki wysokiej jakości (egzergii) nadaje się do dalszego wykorzystania w sposób ekonomicznie opłacalny.

Z zagospodarowywaniem energii odpadowej wiążą się następujące główne korzyści:

* podniesienie efektywności gospodarowania energią,
* korzyści ekonomiczne, w tym wynikające z obrotu handlowego świadectwami efektywności energetycznej,
* oszczędność paliw podstawowych (pierwotnych i wtórnych),
* obniżenie nakładów na transport paliw i przesyłania nośników,
* obniżenie nakładów na przetwarzanie i uszlachetnianie paliw,
* efekty ekologiczne:

– obniżenie emisji gazowych produktów spalania,
– obniżenie ilości stałych odpadów z procesu spalania,
– obniżenie poziomu szkód górniczych.

Wywołana powyżej egzergia (praca maksymalna) stanowi miarę jakości energii; rozumiemy pod tym pojęciem pracę, jaką można uzyskać z układu fizycznego, dążącego na drodze przemian odwracalnych do równowagi z otoczeniem, przy ewentualnym wykorzystaniu bezwartościowego ciepła otoczenia. Ogół zasobów energii odpadowej dzieli się na dwa główne człony. Stanowią one zarówno odpadową energię fizyczną (nadwyżka parametrów termicznych), jak i odpadową energię chemiczną (różnica w składzie chemicznym).

Do odpadowej energii fizycznej należy:

* energia (egzergia) fizyczna spalin i gazów odlotowych, wynikająca z ich podwyższonej temperatury,
* egzergia fizyczna gazowych produktów procesu, wynikająca z ich podwyższonego ciśnienia,
* ciepło chłodzenia elementów konstrukcyjnych urządzeń przemysłowych (ciepło odpadowe),
* energia (egzergia) fizyczna oparów,
* energia (egzergia) fizyczna stałych i ciekłych produktów procesu, wynikająca z ich podwyższonej temperatury (wykorzystanie podwyższonej temperatury produktów użytecznych, jeśli nie jest ona potrzebna do dalszego biegu procesu).

Do odpadowej energii chemicznej należy:

* energia chemiczna palnych gazów odlotowych,
* energia chemiczna niepalnych gazów odlotowych (np. egzergia chemiczna azotu otrzymywanego przy produkcji tlenu, egzergia chemiczna dwutlenku siarki w gazach odlotowych),
* energia chemiczna palnych odpadów komunalnych,
* egzergia chemiczna niepalnych odpadów przemysłowych lub komunalnych, nadających się do wykorzystania w postaci surowców wtórnych.

Wskazane główne zasoby energii odpadowej mogą być wykorzystywane na dwa odrębne sposoby jako wewnętrzny lub zewnętrzny sposób.

Wykorzystanie wewnętrzne – rekuperacja – dotyczy tego samego procesu, w którym powstała energia odpadowa; Jest to najbardziej efektywny sposób wykorzystania, gdyż zapewnia uzyskanie oszczędności energii napędowej bezpośrednio w rozpatrywanym procesie; w takim przypadku można uzyskać stały stopień jej wykorzystania, gdyż zapotrzebowanie na energię odpadową występuje jednocześnie z jej wytwarzaniem.

Z kolei przy wykorzystaniu zewnętrznym, czyli dla potrzeb innych procesów, występuje zwykle trudność dopasowania ilości wytwarzanej energii do zapotrzebowania na nią, gdyż wytwarzanie i zapotrzebowanie zmieniają się niezależnie od siebie; w takim przypadku mogą wystąpić okresowe nadmiary i niedobory nośnika energetycznego wytwarzanego w urządzeniu odzyskowym. Ale w takim razie zewnętrzne wykorzystanie energii odpadowej umożliwia z kolei wytworzenie takiego nośnika energii, który może być z powodzeniem zastosowany w innych odbiornikach, znajdujących się poza samym urządzeniem wytwarzającym energię.

Poniżej zostanie przedstawiona klasyfikacja i sposoby wykorzystania jednego z możliwych rodzajów zasobu fizycznej energii odpadowej, zwanego skrótowo ciepłem odpadowym.

Odzysk ciepła odpadowego
Jak powszechnie wiadomo, ciepło jest sposobem przekazywania energii, zarówno pochodzącej z zasobów odnawialnych, jak i odpadowych. Transport taki następuje między np. określonym zasobem lub nośnikiem energii, poprzez celowo zastosowane urządzenie, wykorzystujące dostępny potencjał energii, do kolejnego nośnika o odpowiednio niższym poziomie temperatury.

* Strategia wykorzystania energii odpadowej

Optymalna strategia wykorzystania energii odpadowej może być realizowana na przykład wg kolejnych etapów:

– inwentaryzacja zasobów energii odpadowej,
– wstępny wybór wariantów technicznych wykorzystania poszczególnych przypadków energii odpadowej,
– optymalizacja techniczno-ekonomiczna rozpatrywanych wariantów wykorzystania energii odpadowej,
– wybór optymalnego wariantu dla każdego przypadku energii odpadowej (wg rocznego efektu ekonomicznego),
– obliczenie różnicowych bezwymiarowych wskaźników efektywności dla wariantów optymalnych,
– ustalenie kolejności realizowania instalacji odzyskowych wg wartości wskaźników.

* Ocena zasobów energii odpadowej
Ocena takich zasobów powinna być uzależniona od przewidywanego sposobu ich wykorzystania. Przez zasoby energii odpadowej rozumie się ilość energii chemicznej paliw podstawowych, czyli zasobów energii pierwotnej, jaką można zaoszczędzić przez wykorzystanie energii odpadowej. Ważniejsze przypadki zagospodarowania zasobów przemysłowej energii odpadowej, jak i ocena tych zasobów, zostały wyczerpująco przedstawione w stosownej literaturze przedmiotu, np. [12]. Podstawową zasadą wykorzystania ciepła, w tym i odpadowego, jest budowa kaskady odbiorników, różniących się poziomem temperatury nośnika, począwszy od wysokiej aż do umiarkowanej temperatury na poziomie temperatury otoczenia. Tym łatwiej zagospodarować określony zasób ciepła odpadowego, im jest wyższa temperatura jego nośnika, a także im większy niesie on strumień energii.

* Możliwości zagospodarowania ciepła odpadowego

Jak już wspomniano, ciepło odpadowe pochodzi głównie od chłodzenia elementów konstrukcyjnych maszyn i urządzeń, w tym i od wymienników ciepła (chłodnice, rekuperatory), i zwykle jest przenoszone poprzez strumień odpowiednio zastosowanego nośnika energii. Podobnie traktujemy też nośnik energii uzyskiwany ze źródeł (instalacji) energii odnawialnej o porównywalnym poziomie temperatury.

Dobór sposobu zagospodarowania energii zawartej w określonym nośniku zależy od:

– strumienia masy tego nośnika ciepła odpadowego,
– jego stanu skupienia i własności fizycznych,
– poziomu temperatury tego nośnika,
– harmonogramu czasowego jego dostawy,
– poziomu temperaturowego innych potrzeb energetycznych,
– przydatności i dostępności stosownych technologii zagospodarowania,
– przeprowadzenia stosownego audytu energetycznego.

* Klasyfikacja zasobów ciepła odpadowego i jego zastosowanie

Najważniejszym kryterium klasyfikacyjnym zasobu ciepła odpadowego jest poziom temperatury nośnika energii odpadowej. Jest to również pośrednia ocena jego przydatności do wykorzystania technicznego. Taki sam podział klasyfikacyjny można zastosować do nośników pobierających energię na sposób ciepła z zasobów odnawialnych. Dlatego też z ogółu przypadków nośników energii odpadowej lub ewentualnie z odnawialnych zasobów wyodrębnia się kolejno jego główne zakresy:

– ciepło wysokotemperaturowe – zakres temperatury nośnika od ok. 650oC wzwyż (przykładem są tu głównie spaliny powstające przy spalaniu paliw kopalnych);
– ciepło średniotemperaturowe – zakres temperatury od ok. 250 do 650oC (przykładem są gazy odlotowe przy typowych technologiach energetycznych) lub w zakresie do ok. 350oC, nośnik pobierający ciepło w kotle zasilanym biomasą;
– ciepło niskotemperaturowe – od kilkunastu, kilkudziesięciu do ok. 250oC;
– typowy poziom nośnika ciepła odpadowego to temperatura z reguły poniżej 120-150oC, przy czym do tej samej granicy sięga oczekiwany, potencjalny poziom temperatury wody termalnej występującej w warunkach krajowych lub nośnika pobierającego ciepło w typowych kolektorach słonecznych.

* Sposoby zagospodarowania wysokotemperaturowego ciepła odpadowego

Jak już wspomniano, dla wysokotemperaturowego nośnika ciepła odpadowego zakres temperatury rozciąga się od temperatury ok. 650oC wzwyż. Głównym sposobem zagospodarowania wysokotemperaturowego ciepła odpadowego jest zastosowanie klasycznego obiegu siłowni parowej Clausiusa-Rankine’a, na czynnik parowy H2O, w którym ciepło odpadowe stanowi:

– jedyne górne źródło ciepła dla nowo projektowanego obiegu lub
– do wspomagania istniejącego obiegu siłowni parowej, w odpowiednim miejscu tego obiegu, o odpowiednim poziomie temperatury,
– do wspomagania istniejącego źródła ciepła, tak by nawet przerobić je na źródło kogeneracyjne.

* Sposoby zagospodarowania średniotemperaturowego ciepła odpadowego

Jak już wspomniano, zakres temperatury nośnika średniotemperaturowego ciepła odpadowego mieści się zwykle w zakresie 250÷650oC.

Dla podzakresu temperatury 250÷400oC wykorzystuje się:
– zastosowanie obiegu ORC lub obiegu Kaliny w układzie elektrowni lub elektrociepłowni:

a) górne źródło ciepła obiegu – zasilane ciepłem odpadowym lub odnawialnym, wykorzystującym np. kocioł na biomasę;

b) organiczny czynnik roboczy obiegu: węglowodory, freony, oleje syntetyczne;

c) dolne źródło ciepła – otoczenie (el-nia) lub system grzewczy (ec);

– wprowadzenie do siłowni kogeneracyjnej możliwości wytwarzania chłodu (trigeneracja) poprzez zasilanie ciepłem, jako nośnikiem napędowym, warnika absorpcyjnego urządzenia chłodniczego,
– zastosowanie kotła odzyskowego do generacji pary wodnej lub ciepłej wody na cele ciepłownicze, grzewcze lub technologiczne.

Dla podzakresu temperatury od ok. 400÷650oC (przykładowo spaliny z silnika tłokowego lub turbiny gazowej):

– rozbudowa do układu gazowo-parowego konwencjonalnej siłowni parowej o człon gazowy oparty na zespole turbiny gazowej,

– zastosowanie kotła odzyskowego do generacji pary wodnej lub ciepłej wody na cele ciepłownicze, grzewcze lub technologiczne.

* Sposoby zagospodarowania niskotemperaturowego ciepła odpadowego
Jak już wspomniano, zakres temperatury nośnika sięga do wartości ok. 250oC, ale najczęściej jest to zakres poniżej 120÷150oC, w którym można wyodrębnić podzakresy:

– podzakres temperatury do ok. 35÷40oC (ciepło odpadowe i wody termalne), wówczas możliwe jest wykorzystanie:

a) bezpośrednie, czyli na niskotemperaturowe cele grzewcze:

1. ogrzewanie płaszczyznowe w budynkach mieszkalnych,
2. suszarnictwo drewna, warzyw, owoców i jarzyn,
3. ogrzewanie basenów kąpielowych, balneologia i rekreacja,
4. ogrzewanie upraw i hodowli (ryb),
5. w klimatyzacji i wentylacji: rekuperacja strumieni powietrza wywiewanego i nawiewanego, czyli ogrzewanie pobieranego powietrza atmosferycznego powietrzem usuwanym z obiektu,

b) wykorzystanie pośrednie:

1. zasilanie dolnego źródła ciepła sprężarkowych pomp grzejnych:
2. niskotemperaturowe ogrzewanie budynków, przygotowanie c.w.u.;

– podzakres temperatury od ok. 35÷40 do ok. 80oC (nośnik ciepła odpadowego i woda termalna)

a) wykorzystanie bezpośrednie:
1. systemy grzewcze i ciepłownicze, centralne ogrzewanie i przygotowanie c.w.u., niekiedy z koniecznością wsparcia konwencjonalnymi i/lub niekonwencjonalnymi źródłami ciepła co do poziomu temperatury i mocy grzejnej;

– podzakres temperatury od ok. 80 do ok. 120÷150 oC (nośnik ciepła odpadowego i woda termalna)

a) wykorzystanie bezpośrednie:
1. wszystkie cele grzewcze systemów ciepłowniczych, z ewentualną koniecznością wsparcia co do mocy grzejnej,
2. zasilanie absorpcyjnej pompy grzejnej wspomagającej system grzewczy,
3. zasilanie absorpcyjnego urządzenia chłodniczego, zasilającego system klimatyzacji w tzw. wodę lodową, zwykle o zakresie temperatury 7÷12oC;

– podzakres temperatury od ok. 120÷150 do ok. 250oC – zastosowanie obiegu ORC do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, z możliwością generacji chłodu w absorpcyjnym urządzeniu chłodniczym, na potrzeby urządzeń klimatyzacyjnych (woda lodowa) lub wytwarzania nośnika chłodu (glikol) o temperaturze ujemnej (poniżej 0oC).

* Ogólne uwagi
Jeżeli jakość nośnika jest nieodpowiednia, np. z powodu zbyt dużego zanieczyszczenia lub też agresywności chemicznej, konieczne jest zastosowanie układów pośrednich lub też dodatkowych urządzeń oczyszczających. Gdy natomiast nośnik energii charakteryzuje się niższą temperaturą w stosunku do rozważanych, to można wykorzystać go jako dolne źródło ciepła dla pompy grzejnej.

W przypadku stosowania absorpcyjnych urządzeń chłodniczych zasila się je czynnikiem grzewczym o temperaturze nie mniejszej niż 80÷90oC, natomiast maksymalna temperatura czynnika grzewczego nie powinna przekraczać 150oC. Należy zaznaczyć, że współczynnik efektywności energetycznej urządzenia absorpcyjnego jest niższy niż urządzenia sprężarkowego i w dużej mierze zależy od temperatury czynnika grzewczego, przy czym wraz ze spadkiem temperatury tego czynnika spada także wydajność ziębnicza urządzenia. W przypadku zasilania urządzenia czynnikiem o niskich parametrach (90÷100oC) wydajność ziębnicza urządzenia może być nawet dwukrotnie mniejsza od wydajności urządzenia zasilanego czynnikiem o wyższej temperaturze. Poza tym, pomimo niższych kosztów eksploatacyjnych, wysokie nakłady inwestycyjne powodują, iż urządzenia te stosowane są z reguły przy dużym zapotrzebowaniu na chłód (o mocy powyżej kilkuset kW).

Dla uzyskania chłodu z energii odpadowej przy użyciu sprężarkowych urządzeń chłodniczych można stosować również napędową energię elektryczną, ale pochodzącą np. z obiegu ORC zasilanego ciepłem odpadowym lub odpowiednim nośnikiem energii odnawialnej.

Duże pole do wykorzystania zasobów energii odpadowej lub odnawialnej, o odpowiednio dobranej temperaturze nośnika, stanowią urządzenia klimatyzacyjne, służące do przygotowania powietrza atmosferycznego. Zwykle takie procesy obróbki powietrza wymagają zarówno ciepła grzejnego, jak i wody lodowej.

Podsumowanie
Aktualną tendencją gospodarczą, o szerokim podłożu społecznym, wymuszoną dyrektywami unijnymi oraz krajową ustawą, jest konieczność oszczędzania energii, w tym również zagospodarowywanie zasobów energii odpadowej występujących w gospodarce i w przemyśle. Ustawa z 2011 r. o efektywności energetycznej, wraz z rozporządzeniami wykonawczymi, określiła zasady sporządzania audytu energetycznego, wprowadziła możliwość uzyskiwania świadectw efektywności energetycznej za działania pro-efektywnościowe, podała zasady obrotu handlowego tymi świadectwami, a ponadto wskazała szereg przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej. Omówiono także ogólne zasady prowadzenia racjonalnej gospodarki energetycznej. Na tym tle podano pojęcie energii odpadowej, a także korzyści płynące z jej zagospodarowywania. Wyszczególniono charakterystyczne przypadki zasobów przemysłowej energii odpadowej w rozbiciu na zasoby energii fizycznej i chemicznej. Wskazano jeden z ważnych zasobów, któremu właśnie poświęcono niniejszy artykuł, czyli ciepło chłodzenia elementów konstrukcyjnych urządzeń przemysłowych. Przedstawiono zasady odzysku i wykorzystania energii odpadowej a także wskazano na sposób oceny takich zasobów. Wreszcie, przyjmując za podstawowe kryterium poziom temperatury nośnika energii odpadowej, podano klasyfikację zasobów ciepła odpadowego oraz wskazano, związane z poziomem temperatury, możliwe sposoby zagospodarowania takich zasobów. W szczególności wskazano możliwość wprowadzenia gospodarki skojarzonej opartej na nośniku energii o odpowiednim poziomie temperatury, a także dodatkową możliwość uzyskania nośnika chłodu z dysponowanego ciepła, czyli zastosowania trigeneracji.

dr inż. Piotr Kubski

Bibliografia

[1]. Dyrektywa 2006/32/WE z 5 kwietnia 2006 r. w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych oraz uchylająca Dyrektywę Rady 93/76/EWG  (Dz. Urz. WE L 114 z 27.04.2006, str. 64);

[2]. Dyrektywa 2004/8/WE z 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w  oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii oraz zmieniająca dyrektywę 92/42/EWG;

[3]. Dyrektywa 2005/32/WE z 6 lipca 2005 r. stanowiąca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów wykorzystujących energię;

[4]. Dyrektywa 2002/91/WE Parlamentu Europejskiego i Rady UE z dnia 16 grudnia 2002 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (Dz. Urz. L 1 z 04.01.2003 str. 65; Dz. Urz. UE. Polskie wydanie specjalne, Rozdział 12, tom 2, str.168).

[5]. Konkluzja Rady Unii Europejskiej z 9 marca 2007 r. http://www.consilium.europa.eu/ueDocs/cms_Data/docs/pressdata/PL/ec/93142.pdf

[6]. Ustawa z dnia 15 kwietnia 2011 r. o efektywności energetycznej  (Dz. U. 2008, nr 223, poz. 1459 z późn. zmian.);

[7]. Ustawa z dnia 10 października 2012 r. o zmianie ustawy o efektywności energetycznej  (Dz. U. 2012, nr 0. poz. 1397);

[8]. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 10 sierpnia 2012 r. w sprawie  szczegółowego zakresu i sposobu sporządzania audytu efektywności energetycznej,  wzoru karty audytu energetycznego oraz metod obliczania oszczędności energii  (Dz. U. 2012, nr 0, poz. 962);

[9]. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 września 2012 r. w sprawie  sposobu obliczania ilości energii pierwotnej odpowiadającej wartości świadectwa  efektywności energetycznej oraz wysokości jednostkowej opłaty zastępczej  (Dz. U. 2012, nr 0, poz. 1039);

[10]. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 23 października 2012 r. w sprawie   przetargu na wybór przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej  (Dz. U. 2012, nr 0, poz. 1227);

[11]. Obwieszczenie Ministra Gospodarki z dnia 21 grudnia 2012 r. w sprawie  szczegółowego wykazu przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej  (M.P. 2013, nr 0, poz. 15)

[12]. Pr. zbior.: Przemysłowa energii odpadowa; WNT, W-wa, 1993.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij