Zadanie: odzyskać energię z ciepła odpadowego

12-03-2021

Ciepło odpadowe powstaje jako produkt uboczny wielu procesów produkcyjnych. Może osiągnąć poziom nawet 70 proc. energii przetwarzalnej. Niewykorzystane, rozprasza się w powietrzu lub wodzie. W gospodarce obiegu zamkniętego taki potencjał nie może się marnować.

W Szlachęcinie w Wielkopolsce, w sąsiedztwie oczyszczalni ścieków Aquanet, Veolia Energia Poznań uruchomiła innowacyjną instalację kogeneracyjną połączoną z pompą ciepła, odzyskującą ciepło ze ścieków

Energia zawarta w cieple odpadowym to największe na świecie niewykorzystane źródło energii. Dodatkowo, z ekologicznego punktu widzenia, jest ona neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla.  

Zastosowanie odzysku ciepła odpadowego w wielu procesach przemysłowych pozwala na redukcję kosztów zużycia w nim energii nawet o 60 proc, np. przemysłowe ciepło odpadowe z pieców piekarniczych, komór lakierniczych czy instalacji odprowadzających wysokotemperaturowe spaliny można stosować do wstępnego podgrzewania wody w wytwornicach pary, do dogrzewania pomieszczeń lub wytwarzania ciepłej wody.

Z jednego litra wody odpadowej o różnicy temperatur równej 10°C można uzyskać 35,37 Wh energii. Taka ilość pozwala na zasilanie żarówki LED przez ponad siedem godzin.

W ciepłownictwie systemowym sprawa ciepła odpadowego nabiera tym większego znaczenia, że jego wykorzystanie może przesądzić o uznaniu systemu ciepłowniczego za efektywny energetycznie.

Wyzwania dla ciepłownictwa

Zgodnie z założeniami Polityki Energetycznej Polski (PEP 2040) w 2030 roku udział OZE w końcowym zużyciu energii brutto ma wynosić co najmniej 23 proc, a liczba efektywnych energetycznie systemów ciepłowniczych stanowić będzie co najmniej 85 proc. wszystkich systemów ciepłowniczych w Polsce.

Efektywny energetycznie system to taki, w którym do wytwarzania ciepła lub chłodu wykorzystuje się co najmniej w 50 proc. energię z odnawialnych źródeł energii lub w 50 proc. ciepło odpadowe (np. z instalacji przemysłowych czy systemów kanalizacji), lub w 75 proc. ciepło pochodzące z kogeneracji, lub w 50 proc. połączenie źródeł energii i ciepła, o których mowa wyżej. Eksperci Izby Gospodarczej Ciepłownictwo Polskie prognozują, że przy sprzyjających warunkach transformacji ciepłownictwo systemowe jest w stanie osiągnąć nawet wyższe cele niż stawiane w PEP 2040. 

– Wykorzystanie ciepła odpadowego w ciepłownictwie systemowym to cel, który musimy stawiać przed sobą już dzisiaj. Źródłem niskotemperaturowego ciepła są np. serwerownie i stacje sprężarek, wysokotemperaturowego – przemysł, głównie hutnictwo, odlewnie, przemysł ceramiczny czy szklarski, także piekarniczy. Praktycznie w otoczeniu każdej sieci ciepłowniczej już obecnie znajdziemy jakieś ciepło odpadowe. Jeśli gdziekolwiek na świecie na masową skalę stosuje się takie rozwiązania, to znaczy, że również w Polsce jest to możliwe i powinniśmy je rozważnie brać pod uwagę. I wdrażać  – podkreśla Bogusław Regulski, wiceprezes Izby Gospodarczej Ciepłownictwo Polskie.

Jak się na świecie ogrzewają ciepłem odpadowym

Ciepło odpadowe z przemysłu stanowi w Szwecji około 10 proc. ciepła w sieci ciepłowniczej, z czego prawie 1 proc. pochodzi ze spalania gazu resztkowego z huty stali w Luleå (w innych krajach gaz ten jest spalany w pochodni). W gminie Borlänge źródłem 70 proc. ciepła w sieci jest ciepło odpadowe z fabryki papieru Stora Enso oraz z huty stali SSAB. W Niemczech w Zagłębiu Ruhry sieć ciepłownicza UWG ma być zasilana ciepłem, którego źródłem będzie przemysłowe ciepło odpadowe z zakładów przetwórczych rafinerii BP Gelsenkirchen. Według wstępnych obliczeń pozwoli to zaoszczędzić ok. 60 000 t emisji dwutlenku węgla rocznie. Ciepło ogrzeje około 30 000 gospodarstw domowych. W Słowenii w Lubljanie firma farmaceutyczna Lek, należąca do koncernu Novartis, od marca 2020 roku dostarcza lokalnym zakładom energetycznym ciepło odpadowe z produkcji. Projekt zmniejsza emisję dwutlenku węgla o 1000 t rocznie. Ilość energii wystarcza do ogrzania 300 domów. Od 2016 roku ciepło odpadowe, uzyskiwane ze spalin z elektrycznego pieca łukowego w zakładzie Ori Martin Steel w Brescii we Włoszech, jest wykorzystywane do produkcji pary, dostarczanej do lokalnej ciepłowni (sezon zimowy) lub w celach produkcji energii elektrycznej (sezon letni). Zimą ogrzewa się 2 tys. domów.

Ciepło odpadowe a ciepło z odpadów

Ponieważ te dwa pojęcia są często mylone, wyjaśniamy. Ciepło odpadowe to niewykorzystana energia, powstała najczęściej w procesach przetwarzania energii w urządzeniach energetycznych, oddawana do otoczenia. Odpady to śmieci oraz substancje/przedmioty i pozostałości po ich produkcji, które trafiają na wysypiska. Wiele krajów, w tym Polska, wykorzystuje odpady jako zasoby energetyczne. W cementowniach i nowoczesnych spalarniach podczas termicznej utylizacji odpadów wytwarzana jest energia elektryczna i ciepło, które można wykorzystać np. do ogrzewania domów.

W przyszłym roku w Dalian w Chinach w nowo uruchomionym magazynie energii elektrycznej, za pomocą systemu pomp ciepła fińskiej firmy Oilon, ciepło odpadowe z akumulatorów będzie odprowadzane do miejskiej sieci ciepłowniczej. Farma akumulatorów, jedna z  największych na świecie, o mocy szczytowej 200 MW i pojemności magazynowania 800 MWh, ma służyć jako szybko reagująca rezerwa mocy dla energetyki wiatrowej.

Coraz popularniejsze staje się wykorzystanie ciepła produkowanego przez serwery. Siedziba główna Amazona w Seattle od dziesięciu lat jest ogrzewana ciepłem z 34 lokalnych serwerowni. Centrum danych IBM od ponad dekady zaopatruje w ciepło pływalnię w miasteczku Utikon w Szwajcarii. W Irlandii, w hrabstwie Południowy Dublin, w 2021 roku rozpocznie się budowa wielkoskalowego systemu ciepłowniczego, który będzie wykorzystywał ciepło odpadowe z pobliskiego centrum danych Amazona. W Odense w Danii w ubiegłym roku Facebook rozpoczął podłączanie centrum IT do lokalnej sieci ciepłowniczej – ciepło z serwerów ma ogrzać prawie 7 tys. domów. W Espoo, drugim co do wielkości mieście Finlandii, ciepło odpadowe pochodzące z wielu źródeł, w tym z serwerowni, za pomocą systemu ciepłowniczego już jest wykorzystywane do zaspokojenia prawie 20 proc. potrzeb grzewczych. 

Zagospodarowanie ciepła odpadowego w Polsce

W Szlachęcinie w Wielkopolsce, w sąsiedztwie oczyszczalni ścieków Aquanet, Veolia Energia Poznań uruchomiła innowacyjną instalację kogeneracyjną połączoną z pompą ciepła, odzyskującą ciepło ze ścieków. Pozwoli to częściowo zastąpić tradycyjną ciepłownię węglową w pobliskim Bolechowie. Dzięki temu rozwiązaniu zmniejszy się o ok. 2 tys. t rocznie emisja dwutlenku węgla, nastąpi znaczna redukcja emisji związków siarki oraz pyłów do atmosfery i obniży temperatura ścieków, które po oczyszczeniu trafiają do Warty. Moc elektryczna nowej instalacji wynosi około 1 MW, z czego 700 kW zostanie wykorzystanych do zasilenia pompy ciepła. Powstała nadwyżka, około 300 kW, będzie odbierana przez krajowy system energetyczny. Moc cieplna systemu, kogeneracji i pompy ciepła razem wynosi około 2,9 MW. Ciepło wygenerowane w Szlachęcinie będzie ogrzewać 5000 mieszkańców Murowanej Gośliny. 

W Grupie Kapitałowej WĘGLOKOKS ENERGIA zbudowano trzy układy odzysku ciepła ze sprężarek powietrza pracujących na potrzeby zakładów górniczych.

W Ciepłowni Bielszowice (teren kopalni Ruda Ruch Bielszowice) w 2016 roku uruchomiono układ odzysku ciepła z pięciu sprężarek kopalnianych o mocy 1 MW – transformacja ciepła odbywa się poprzez węzeł cieplny, w którym podgrzewany jest czynnik grzewczy z rurociągu powrotnego magistrali ciepłowniczej. W Zakładzie Ciepłowniczym Brzeszcze (teren Zakładu Górniczego Brzeszcze) wykorzystuje się dwa układy. Działający od 2018 roku układ odzysku ciepła z czterech kopalnianych sprężarek powietrza jest oparty na kaskadzie 18 pomp ciepła o łącznej mocy 1,4 MW. Podniesiony za ich pomocą do wyższej temperatury czynnik grzewczy jest doprowadzany do układu technologicznego ciepłowni, gdzie wykorzystuje się go do celów grzewczych oraz podgrzewu ciepłej wody użytkowej. W 2020 roku uruchomiony został układ odzysku ciepła z kolejnych dwóch kopalnianych sprężarek powietrza o łącznej mocy 0,34 MW, w którym poprzez wymiennik rurowy jest podgrzewany czynnik grzewczy z rurociągu powrotnego magistrali ciepłowniczej. Układy odzysku ciepła pozwalają na zmniejszenie zużycia paliw kopalnych poprzez ograniczenie produkcji ciepła w kotłach, co w efekcie prowadzi do niższej emisji szkodliwych pyłów i gazów do środowiska.

Z kolei w Miasteczku Śląskim Veolia Południe podłączyła 148 budynków, dotychczas ogrzewanych indywidualnie węglem, do nowo budowanej sieci ciepłowniczej o długości 9 km, zasilanej ze źródła ciepła wykorzystującego paliwo odpadowe w postaci gazu poprocesowego z Huty Cynku Miasteczko Śląskie. Po realizacji inwestycji nastąpi ograniczenie emisji o 680 t dwutlenku węgla i 8,4 t pyłów rocznie, tj. odpowiednio o 34 proc. i 94 proc. względem systemu pierwotnego.

W PEC w Gliwicach ciepło odpadowe wygenerowane podczas pracy kompresorów w nowoczesnej sprężarkowni zostanie wykorzystane dla potrzeb technologicznych przedsiębiorstwa

W PEC Gliwice Sp. z o.o. w październiku 2020 roku zaczęła działać nowoczesna sprężarkownia pracująca na potrzeby przygotowania sprężonego powietrza dla instalacji technologicznych układu oczyszczania spalin wylotowych i potrzeb własnych przedsiębiorstwa. Sprężarki zostały wyposażone w instalację odzysku ciepła odpadowego wygenerowanego podczas pracy kompresorów. Ciepło odpadowe zostanie wykorzystane dla potrzeb technologicznych przedsiębiorstwa, ograniczając emisję dwutlenku węgla do produkcji tej samej ilości ciepła, które pozyskuje się podczas pracy agregatów sprężarkowych. Moc cieplna, jaką można odzyskać z pracujących sprężarek, to 0,7 MWt.    

Pionierską w Europie Środkowo-Wschodniej inwestycję odzysku ciepła z procesów przemysłowych na potrzeby ogrzewania  miejskiego uruchomiła w 2017 roku Veolia Energia Poznań. Ciepło wydzielane podczas pracy sprężarek w odlewni Volkswagena (OVW), zamiast trafiać do atmosfery, jest wykorzystane do ogrzewania budynków za pośrednictwem miejskiej sieci ciepłowniczej. Moduł rekuperacji ciepła w OVW odpowiada źródłu ciepła o mocy około 6 MWt. Ekologiczne ciepło dociera do ponad 30 budynków na Wildzie i Dębcu, w tym do szpitala HCP. Wdrożone rozwiązanie obniżyło rocznie produkcję dwutlenku węgla o 2014 ton, a także pozwala zaoszczędzić 17 mln litrów wody (tyle w ciągu roku zużywa 80 czteroosobowych rodzin) oraz blisko 40 000 GJ energii, co oznacza mniejsze zapotrzebowanie na spalanie paliwa w Elektrociepłowni Karolin oraz zmniejszenie lokalnej emisji  dwutlenku węgla o ponad 1000 t rocznie. Wytwarzanie sprężonego powietrza jest bardzo energochłonnym procesem – aż 80 proc. energii elektrycznej pobieranej przez sprężarki jest zamieniane na energię cieplną i przekazywane w postaci podgrzanej wody do ochłodzenia. Rozwiązanie zastosowane przez Veolię opiera się właśnie na wykorzystaniu tej podgrzanej wody – zamiast jej schłodzenia – i odzyskanie z niej energii. W ramach projektu powstały m.in. dwa węzły ciepłownicze oraz blisko 2 km rurociągów.


Sieci coraz nowszej generacji

04-03-2021

Od ponad dekady, w dużej mierze dzięki dofinansowaniu z funduszy europejskich, polskie sieci ciepłownicze są systematycznie rozbudowywane i modernizowane.

Sieci ciepłownicze coraz nowszej generacji 

Na przełomie XX i XXI wieku przez polskie ciepłownictwo przeszła fala modernizacji. Przedsiębiorstwa komunalne były prywatyzowane a jednostki wytwórcze ulepszane. Od ponad dekady, w dużej mierze dzięki dofinansowaniu z funduszy europejskich, sieci ciepłownicze są systematycznie rozbudowywane i modernizowane.

Czytaj dalej