Odzysk ciepła. Na czym polega odzysk ciepła ze spalin? Ile energii można odzyskać i w jaki sposób wykorzystać?

Odzysk ciepła jest rozwiązaniem wartym uwagi. Rosnące ceny paliw i kary za emisję CO2 powodują, że zwraca się coraz większą uwagę na efektywne wykorzystanie energii. Powstają nowe, energooszczędne technologie. Dlatego też rośnie znaczenie odzysku energii ze spalin urządzeń generujących ciepło.

Definicja odzysku ciepła

Przez pojęcie odzysku rozumiemy działania i technologie mające na celu powtórne wykorzystanie odpadów powstałych w innych procesach. Ciepło będące swoistym odpadem usuwanym do atmosfery, a zawierającym traconą energię, nazywamy „ciepłem odpadowym”.Najpopularniejszymi sposobami jego wykorzystania są te znane w wentylacji – rekuperacja, recyrkulacja i regeneracja. Pierwszy z nich to proces, w którym wymiana ciepła przebiega przy braku kontaktu z powierzchnią wymiennika, strumienia powietrza nawiewanego i wywiewanego. Podczas regeneracji z kolei wymiana ciepła następuje na skutek naprzemiennego omywania wymiennika przez powietrze nawiewane i wywiewane. Recyrkulacja to częściowe mieszanie się zawracanego powietrza wywiewanego z nawiewanym.

Odzysk ciepła na potrzeby innych procesów, instalacji

Technologie odzysku ciepła (z ang. heat recovery) były znane już wcześniej, ale niska cena energii nie motywowała do ich powszechnego stosowania. Obecnie coraz większy nacisk kładzie się na efektywne wykorzystanie energii oraz ograniczenie wydzielania gazów cieplarnianych. Powstają nowe, energooszczędne urządzenia, ale rośnie też znaczenie technologii odzyskujących energię z gazów lub pary wodnej, powstających w wyniku spalania lub innych procesów wydzielających ciepło.

W standardowych rozwiązaniach gazy te usuwane są przez komin, a energia w nich zawarta jest bezpowrotnie tracona. Coraz więcej mówi się o konieczności ochrony środowiska. Niektóre firmy działania w tym zakresie traktują jak swoją misję. Taka społeczna odpowiedzialność biznesu zawsze nobilituje przedsiębiorstwo i zjednuje mu większą przychylność odbiorców. Często wpływa to również na końcowy wybór konsumenta.Konieczność oszczędzania energii odczuwamy wszyscy intuicyjnie ale jest to wartość, którą możemy zmierzyć. Przedstawiciel firmy zajmującej się odzyskiem ciepła powinien, na podstawie zebranych w ankiecie informacji, zaprezentować ilość możliwej do odzyskania energii, sposób jej wykorzystania, koszt instalacji i okres jej zwrotu, a także zaproponować sposób sfinansowania inwestycji.Również Unia Europejska, władze krajowe i lokalne dostrzegają problem degradacji środowiska i konieczność oszczędzania energii. Dlatego powstaje wiele programów dofinansowujących działania redukujące zużycie energii, a także cały system niskooprocentowanych kredytów, które można wykorzystać na ten cel.

Ile można odzyskać energii?

Jednym z najprostszych sposobów zmniejszenia zużycia energii jest odzysk ciepła z gazów spalinowych lub pary wodnej, powstających w trakcie procesów związanych z wydzielaniem ciepła, np. podczas spalania. Znaczna ilość ciepła powstałego w procesie jest usuwana przez komin do atmosfery, a energia w nim zawarta bezpowrotnie tracona.Strata energii wydalanej przez komin, ze spalania lub innego procesu wydzielającego ciepło, zwykle wynosi 18–20%. Przy zastosowaniu technologii odzysku ciepła aż 80% z tego ciepła możemy odzyskać i wykorzystać. W ogólnym rozrachunku możemy w ten sposób zmniejszyć koszty zużywanego paliwa o 12–16% przy jednoczesnej redukcji emisji CO2. Zmniejszenie kosztów paliwa to obniżenie rachunków za gaz, prąd lub inny nośnik energii, a tym samym zmniejszenie kosztów funkcjonowania firmy. Skuteczne wykorzystanie odzyskanej energii w połączeniu z jej konkurencyjną ceną oznacza, że inwestycje w system odzysku ciepła mają krótki, maksymalnie 3-letni, okres zwrotu.

Źródła odzysku ciepła

Przemysł to ta część działalności człowieka, która emituje najwięcej zanieczyszczeń, CO2 i energii w postaci ciepła odpadowego. Źródła ciepła odpadowego:

• kotły, grzejniki, piece, turbiny, silniki itp.,
• spaliny z pieców piekarniczych, przemysłowych, suszarń,
• gorące płyny lub woda z procesów technologicznych,
• para i ciepło konwekcyjne z różnych źródeł,
• gorące produkty po obróbce cieplnej (stal, wyroby szklane, klinkier, odlewy) itp.,
• powietrze chłodzące ze sprężarek,
• instalacje klimatyzacji.

Możliwości wykorzystania odzyskanej energii

Ciepło odzyskane z gazów spalinowych, pary lub ciepła procesowego magazynowane jest w postaci gorącej wody i można je wykorzystać od razu lub w późniejszym terminie. Sposób, w jaki ta energia zostanie ponownie zużyta, zależy od technologii produkcji, preferencji odbiorcy oraz wiedzy audytora. Ma to decydujący wpływ na wynik ekonomiczny całego procesu odzysku ciepła.Jeśli nie uda się znaleźć sposobu spożytkowania odzyskanej energii, jej nadmiar można sprzedać do zewnętrznej sieci ciepłowniczej. Najczęściej odzyskane ciepło wykorzystywane jest w postaci wody ciepłej – do mycia urządzeń lub gorącej – do sprzątania. Są to duże ilości wody, które po użyciu trafiają do kanalizacji. Inaczej wykorzystuje się odzyskane ciepło zawarte w wodzie znajdującej się w buforze. Jeśli przekierujemy je do centralnego ogrzewania, tam woda krąży w obiegu zamkniętym i jest na bieżąco podgrzewana przez energię odzyskaną z ciepła odpadowego. Bardziej efektywnym i coraz bardziej popularnym sposobem wykorzystania ciepła są chłodnie absorbcyjne.Największe efekty ekonomiczne w procesie odzysku ciepła przynosi zawrócenie go do procesu produkcyjnego i zużycie na przykład do podgrzania powietrza procesowego lub elementów przed wprowadzeniem do pieca tunelowego bądź stabilizacji temperatury kąpieli galwanicznej.

Instalacja odzysku ciepła

Poniżej przedstawiono schemat bardzo prostej instalacji odzysku ciepła ze spalin usuwanych przez komin. Za urządzeniem grzewczym, w strumieniu przepływających przez komin spalin znajduje się wymiennik ciepła powietrze-woda (1), w którym ciepło z urządzenia grzewczego (2) przekazywane jest do wody. Bardzo ważne dla efektywności działania instalacji są: by-pass w wymienniku (7), umożliwiający zmianę trasy przepływu spalin, oraz łatwe do wyjęcia panele wymiennika (8), które można wyczyścić. Odzyskane ciepło w postaci gorącej wody magazynuje się w zbiorniku buforowym (4), a stamtąd – za pomocą pompy (5) i zaworu mieszającego (6) – transportuje do dowolnego miejsca układu. Na szczycie komina zainstalowany jest wyciąg kominowy (6), zapewniający prawidłowy ciąg w kominie i właściwy przebieg procesu spalania. Wszystkie parametry systemu odzysku ciepła kontroluje i monitoruje elektroniczny sterownik według zadanych parametrów. Dostęp do sterownika może być również zdalny. Ważny dla potencjalnych inwestorów jest fakt, że system odzysku ciepła z urządzeń produkcyjnych nie ma wpływu na przebieg procesu produkcji.

Poprawność i wydajność instalacji odzysku ciepła zależy od parametrów pracy jej elementów składowych, którymi są:• wymiennik ciepła (1) – część wewnętrzna ze stali nierdzewnej 1.4404 (316L), elementy zewnętrzne ze stali 1.4301 (304L), złącza lutowane miedzią, a między nimi – skuteczna izolacja o grubości 40 mm, chroniąca przed stratami energii. Wymiennik ma wbudowany odpływ skroplin i jest tak zaprojektowany, by mógł pracować ze spalinami o temperatur ze 400°C (niektóre modele 600°C) po stronie powietrza. Zamknięte w obudowie płyty wymiennika można łatwo i szybko zdemontować w celu czyszczenia i konserwacji, co oznacza redukcję przerw koniecznych do konserwacji urządzenia do minimum. By-pass znajdujący się wewnątrz wymiennika stanowi obejście, umożliwiające kierowanie spalin przez wymiennik lub bezpośrednio do komina.

Chroni on system przed przegrzaniem i zapobiega krytycznej utracie ciśnienia. Dodatkowymi zaletami wymiennika są: kompaktowa budowa i związane z nią małe wymiary, możliwość łączenia w grupy oraz montażu w pionie i poziomie. Jeśli instalacja wymiennika będzie prowadzona w środowisku korozyjnym, należy zadbać, aby standardowe połączenia lutowane miedzią zostały zastąpione niklem. Wymienniki mogą pracować pojedynczo lub być połączone po kilka jednostek;

• urządzenie grzewcze (2) – z jego spalin odzyskuje się ciepło; może być opalane gazem lub olejem. Nie należy stosować wymienników ciepła do urządzeń opalanych paliwami stałymi lub biomasą ze względu na zawarte w spalinach duże cząstki zanieczyszczeń, które mogłyby zatkać wymiennik;
• wyciąg kominowy (3) – jego rola jest często niesłusznie bagatelizowana.

Jest to mechaniczne urządzenie generujące ciąg w kominie, przez który usuwane są gazy spalinowe. Odpowiednio dobrany system sterowania pozwala na zapewnienie ciśnienia wymaganego dla prawidłowego przebiegu procesu technologicznego (np. 35 Pa). W sytuacjach, kiedy zainstalowanie wyciągu na szczycie komina nie jest możliwe, należy zastosować wyciąg, który montuje się w rurze spalinowej (w pionie lub poziomie), przy czym do czyszczenia demontuje się tylko jego wewnętrzną część, nie naruszając konstrukcji komina, bez konieczności rozłączania rur spalinowych. Jeśli nie zastosuje się w instalacji odzysku ciepła, ciśnienie w kominie będzie wypadkową wcześniejszych zdarzeń, niekoniecznie taką, jakiej oczekujemy;

• zbiornik buforowy (4) – izolowany zbiornik, w którym przechowywana jest ciepła woda ogrzana przez energię odzyskaną z wymiennika. Jego wielkość oblicza się na podstawie ilości możliwego do odzyskania ciepła, czasu magazynowania i sposobu późniejszego wykorzystania. Miejsce usytuowania zbiornika określa projektant instalacji na podstawie warunków technicznych i lokalowych.

Woda zgromadzona w zbiorniku buforowym może mieć temperaturę do 95ºC. Poprzez system pomp (5) i zaworów mieszających (6) woda przekazywana jest do instalacji c.o., c.w.u. lub do innego wykorzystania. Coraz częściej wykorzystywane są zbiorniki ze stali nierdzewnej jako bezpieczniejsze i trwalsze.

Odzysk ciepła - poszukiwanie rozwiązań

Jeśli w stosowanej technologii występują procesy, podczas których wydzielana jest duża ilość ciepła, jego część jest bezpowrotnie tracona, a zjawisku temu towarzyszy emisja CO2, wprowadzenie systemu odzysku ciepła jest właściwym rozwiązaniem. Należy wtedy poszukać doświadczonej firmy, która zajmuje się tym procesem. Podczas pierwszego spotkania warto upewnić się, że oferuje ona kompleksową obsługę na wszystkich etapach współpracy.

Etap IAnaliza potrzeb i wydatków energetycznych firmy. Polega na określeniu, jakie są możliwości odzysku ciepła odpadowego (skąd i ile, rodzaj urządzeń, parametry pracy), sposoby jego wykorzystania (instalacje c.o., c.w.u., chłodzenie, powrót do procesu technologicznego). Może być wykonana bezpłatnie na podstawie wypełnionej ankiety.Etap IIPrzedstawienie obliczeń wykonanych w oparciu o zebrane dane i przy zastosowaniu fachowego oprogramowania. Ma na celu oszacowanie, ile ciepła zostanie odzyskane, ile i gdzie będzie wykorzystane, jakie uzyska się korzyści finansowe, energetyczne i o ile zmniejszy się emisja CO2. Do przygotowania wstępnego projektu instalacji odzysku ciepła konieczne jest zapoznanie się z rzeczywistym usytuowaniem urządzeń i przebiegiem instalacji.Etap IIIFinansowanie inwestycji odzysku ciepła – doświadczony audytor pomoże wskazać źródła finansowania inwestycji. Prócz zasobów własnych mogą to być środki z programów UE przeznaczonych na ochronę środowiska lub długoterminowe, ale bardzo niskooprocentowane kredyty celowe. Jeśli planowane inwestycje przyniosą duże oszczędności energii, doświadczony audytor wskaże, jak uzyskać tzw. białe certyfikaty.Etap IVOstateczny projekt – na tym etapie audytor powinien przedstawić cenę i projekt instalacji odzysku ciepła ze wszystkimi urządzeniami (wymienniki, wyciąg kominowy, bufor i pozostałe elementy instalacji). Na tej podstawie można obliczyć okres zwrotu inwestycji.Etap VMontaż – może odbywać się na hali poprzez łączenie poszczególnych elementów instalacji, co jednak trwa dłużej i może być uciążliwe dla procesu produkcji. Innym wariantem jest dostawa częściowo zmontowanej instalacji i końcowe łączenie jej w miejscu docelowym. Wówczas czas przygotowania systemu jest znacznie krótszy i nie powinien długotrwale zakłócić przebiegu procesu produkcji.Etap VIWsparcie posprzedażowe obejmujące szkolenie personelu, możliwość zdalnej konsultacji występujących problemów z działem technicznym producenta, konserwację i profesjonalne doradztwo. Niektórzy producenci instalacji odzysku ciepła stosują takie systemy sterowania, które pozwalają za zgodą właściciela śledzić parametr y jej pracy, np. odpowiedzialny za serwis inżynier z dowolnego kraju zdalnie kontroluje poprawność pracy instalacji i sygnalizuje inżynier owi w Polsce nieprawidłowości, jeśli takie wystąpią. Równolegle obsługa instalacji w Polsce w każdej chwili może skonsultować swoje spostrzeżenia, ponieważ obie strony mają bezpośredni dostęp do tego samego sterownika.

Odzysk ciepła - źródła finansowania

Najprostszym sposobem finansowania instalacji odzysku ciepła są środki własne lub kredyt obrotowy firmy. Taki sposób nie wymaga przeprowadzenia audytu energetycznego, a inwestor ocenia opłacalność przedsięwzięcia tylko na podstawie wyliczeń przedstawionych przez firmę. Korzystanie z innych sposobów nakłada obowiązek spełnienia wymagań stawianych przez instytucję finansującą. Źródłem finansowania inwestycji redukujących zużycie energii i zmniejszających emisję CO2 mogą być:

• Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (NFOŚiGW) oferujący pożyczki i dotacje; instytucja ta może stosować preferencyjne oprocentowanie udzielanego pr zez siebie wsparcia; działa w każdym województwie – środki mogą pochodzić także z Powiatowego i Gminnego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej,
• dotacje w ramach regionalnych programów operacyjnych,
• dotacje w ramach środków unijnych z ogólnopolskiego programu Infrastruktura i Środowisko,
• współpraca z firmą typu ESCO (z ang. Energy Saving Company), oferującą pomoc finansową z zewnątrz.

Zalety i wady odzysku ciepła

Wymierną finansowo zaletą stosowania odzysku ciepła jest zmniejszenie kosztów funkcjonowania firmy poprzez redukcję wydatków na energię oraz emisji CO2. Korzyści wizerunkowe są niepoliczalne, a badania socjologiczne potwierdzają, że klient mający do wyboru produkty o podobnej jakości i cenie sięgnie po ten, którego wytwórca szanuje środowisko.Montaż systemu odzysku ciepła wiąże się z kosztem i instalacją  dodatkowych urządzeń. Inwestycja ta zwróci się jednak w ciągu maksymalnie 3 lat, a w kolejnych przyniesie wymierne korzyści.Firma zajmująca się odzyskiem ciepła we współpracy z doświadczonym projektantem jest w stanie zoptymalizować instalację pod względem kosztów i zajmowanej powierzchni, a także współpracy z istniejącymi układami centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Ponadto wykorzystanie przez inwestora zewnętrznych źródeł finansowania może skutkować jego minimalnym zaangażowaniem kapitałowym.

Odzysk ciepła - podsumowanie

Wstępna ocena możliwości zrealizowania projektu odzysku ciepła i jego skutków ekonomicznych może być wykonana bezpłatnie na podstawie danych, które dostarczy potencjalny inwestor, np. w formie wypełnionej ankiety. Doświadczony audytor podczas kolejnych spotkań pomoże dobrać najbardziej optymalne rozwiązanie instalacji, zapewniające maksymalne wykorzystanie odzyskanego ciepła.