Gospodarka Obiegu Zamkniętego (dalej GOZ, angielska nazwa: Circular Economy) jest nowym pomysłem na ratowanie środowiska w zakresie globalnym. Opiera się na trzech zasadach: chodzi o minimalizację wytwarzania bezużytecznych odpadów, wdrażanie recyclingu na całym świecie i wykorzystanie już powstałych produktów w sposób całkowity. Dlaczego? Bo pomału wyczerpują się zasoby naturalne naszej planety. Chodzi i o paliwa kopalniane, i o pierwiastki, w tym metale.

Skuteczność działań w ramach GOZ jest najbardziej widoczna i powszechna, jeśli chodzi o recycling odpadów z tworzywa sztucznego. Na przełomie dziesięciu lat, w okresie 2006–2016 roku, recykling takich odpadów w UE28 (plus Norwegia i Szwajcaria) wzrósł o niemal 80 proc., ilość zaś odpadów składowanych zmniejszyła się o 43 proc. Natomiast w 2018 roku Unia Europejska wyznaczyła państwom członkowskim konkretne cele w obszarze recyklingu: 65 procentowy recykling wszystkich opakowań do 2025 roku, a 70 proc. do 2030 roku; recykling papieru i kartonu na poziomie 75 proc. do 2025 roku, 85 proc. do 2030 roku oraz recykling plastiku – 50 proc. do 2025 roku i 55 proc. do 2030 r. Ale pojęcie GOZ obejmuje coraz szersze kręgi i branże.

– Wdrażanie zasad GOZ jest dziś koniecznością i choć dotyczy to przede wszystkim minimalizacji powstawania odpadów, ciepłownictwo może i powinno mieć tu też swój udział – podkreśla prof. dr hab. inż. Grzegorz Wielgosiński z Wydziału Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska Politechniki Łódzkiej.

Popioły ratują zabytki

Do dzieła wzięli się więc naukowcy i praktycy. Naukowcy z Krakowa, Lublina i Warszawy pracują nad technologią przetworzenia lotnych popiołów powstających podczas spalania węgla w materiały przydatne do konserwacji zabytków, oczyszczania ścieków lub nawożenia gleb. Popioły lotne powstające podczas spalania węgla szkodzą ludziom i środowisku, m.in. potęgując zjawisko smogu. Prace są realizowane przez konsorcjum FUNash, w ramach którego siły połączyli naukowcy z Politechniki Lubelskiej, Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie i Uniwersytetu Warszawskiego. Na projekt otrzymali ponad 21 mln zł od Fundacji Na Rzecz Nauki Polskiej w ramach programu TEAM-NET.

– Zamierzamy wykorzystać otrzymane materiały do produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych na ciepło oraz betonów samonaprawiających. Całkowitą nowością będzie technologia produkcji biocementów w konsolidacji gleb piaszczystych i rewitalizacji uszkodzeń powierzchni kamiennych, w tym zabytków kultury – powiedział PAP prof. dr hab. inż. Wojciech Franus z Wydziału Budownictwa i Architektury Politechniki Lubelskiej, która jest liderem projektu FUNash.

Naukowcy opracują technologie dla wielu dziedzin gospodarki, m.in. budownictwa, rolnictwa czy inżynierii środowiska. Szacują, że dzięki tak szerokiej gamie produktów i technologii, zagospodarowanie popiołów lotnych w Polsce zwiększy się o 3 do 5 proc. To istotne – zaznaczają – ponieważ co roku w polskich elektrowniach i elektrociepłowniach powstaje około 4 mln ton popiołów lotnych. Około 60 proc. tych odpadów wykorzystuje się do produkcji betonu i cementu, do stabilizacji gruntów przy budowie dróg oraz jako materiał podsadzkowy i do likwidacji otworów wiertniczych w kopalniach.

– Nie zmienia to faktu, że wciąż ogromne ilości popiołów są składowane i zanieczyszczają środowisko. Część z nich, jako materiał drobnoziarnisty, jest wywiewana, co potęguje zjawisko smogu. Ponadto składowiska odpadów zajmują przestrzeń, którą można wykorzystać do innych celów. Do tego dochodzą wysokie koszty składowania i tzw. opłaty środowiskowe, którymi obciążeni są producenci. Korzystniejsza jest zatem utylizacja popiołów, niż ich składowanie – przekonuje prof. Franus.

Popioły z energetyki mogą służyć jako biocement do konserwacji zabytków. Nowe technologie pozwolą przygotować podłoża mineralne o specyficznych właściwościach fizyczno-chemicznych. Następnie zostaną one zaszczepione odpowiednimi bakteriami, np. produkującymi węglan wapnia. Jak wskazuje prof. Franus, taki modyfikowany mikrobiologicznie cement będzie nadawał się do rewitalizacji uszkodzeń na zabytkach kultury.

Aby móc wykorzystać biocement na szerszą skalę, najpierw trzeba opracować wydajne technologie syntezy materiałów funkcjonalizowanych na bazie popiołów. Tym właśnie zajmie się w ramach konsorcjum FUNash jeden z zespołów z Politechniki Lubelskiej. Kolejny zespół z tej uczelni będzie tworzyć hybrydy mineralnomikrobiologiczne i testować możliwości ich wykorzystania w budownictwie.

Ciepło ze spadku ciśnienia

Także w Krakowie trwają prace badawcze w ramach działań GOZ. Prowadzi je Miejskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej SA. Chodzi o zastosowanie nowego sposobu regulacji sieci ciepłowniczej, który nosi nazwę System Dystrybucji Cieczy lub Gazu. Metoda polega na zastąpieniu tradycyjnych zaworów i klap regulacyjnych przez turbinowe regulatory ciśnienia. Można nimi ustalać spadek ciśnienia i natężenie przepływu czynnika grzewczego w węźle ciepłowniczym. Odzyskana na skutek spadku ciśnienia energia mechaniczna zamieniana jest w turbinie na energię elektryczną i może zasilić pompy obiegowe w wymiennikowni lub być odprowadzona do sieci energetycznej.

Możliwe jest zastosowanie turbiny w miejsce zaworu pogodowego, co pozwoli zastąpić zawory redukcyjne ciśnienia jednym urządzeniem. W praktyce zamontowane dwa prototypy układu odzysku energii wytworzyły łącznie 9 tys. kWh. Trwają prace nad zastosowaniem prototypu do regulacji natężenia przepływu czynnika grzewczego.

Ciepło ze spadku ciśnienia

Także w Krakowie trwają prace badawcze w ramach działań GOZ. Prowadzi je Miejskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej SA. Chodzi o zastosowanie nowego sposobu regulacji sieci ciepłowniczej, który nosi nazwę System Dystrybucji Cieczy lub Gazu. Metoda polega na zastąpieniu tradycyjnych zaworów i klap regulacyjnych przez turbinowe regulatory ciśnienia. Można nimi ustalać spadek ciśnienia i natężenie przepływu czynnika grzewczego w węźle ciepłowniczym.

Odzyskana na skutek spadku ciśnienia energia mechaniczna zamieniana jest w turbinie na energię elektryczną i może zasilić pompy obiegowe w wymiennikowni lub być odprowadzona do sieci energetycznej. Możliwe jest zastosowanie turbiny w miejsce zaworu pogodowego, co pozwoli zastąpić zawory redukcyjne ciśnienia jednym urządzeniem. W praktyce zamontowane dwa prototypy układu odzysku energii wytworzyły łącznie 9 tys. kWh. Trwają prace nad zastosowaniem prototypu do regulacji natężenia przepływu czynnika grzewczego.

Prąd z wodociągu

Rozwiązanie krakowskie pozostaje jeszcze w sferze badań, ale w Szczecinie GOZ ma szansę realizacji, jeśli chodzi o produkcję prądu elektrycznego przy okazji dostarczania wody do miasta. Otóż wzorem dla takiego rozwiązania jest pomysł z Portland w USA. W rurach zamontowane zostały turbiny, które w ruch wprawia płynąca ciecz i w ten sposób w generatorach umieszczonych nad turbinami powstaje prąd. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu naturalnego spadku terenu i siły grawitacji, dzięki której woda płynie.

Rocznie do sieci trafia 1,1 tys. MWh wyprodukowanej w ten sposób energii, co wystarcza na zasilenie 150 domów. Wedle założeń w ciągu dwudziestu lat instalacja ma przynieść 2 mld dol., co zwróci koszt inwestycji wraz z finansowaniem i kosztami utrzymania oraz da inwestorom zysk.

Różnica między rozwiązaniem w Portland a tym w Szczecinie jest taka, że w amerykańskim mieście turbiny wprawiają w ruch płynące kanałami ścieki, a w Szczecinie będzie to woda pitna. Otóż turbina prądotwórcza zostanie przez inwestora, czyli Zakład Produkcji Wody „Pomorzany”, umieszczona w wodociągu dostarczającym wodę z jeziora Miedwie. Różnica poziomów pomiędzy Miedwiem a zakładem na Pomorzanach wynosi przeszło 30 m. Na Pomorzanach zainstalowana zostanie turbina wodna Francisa, o mocy do ok. 140 kW. Jej zdolność produkcyjna w ciągu roku może dochodzić do ok. 1 tys. MWh.

Odzyskane i wykorzystane

Fińskie Oulu zastosowało GOZ w zespole, jak na razie, pięciu budynków: dwóch domów na wynajem, dwóch prywatnych i w centrum handlowym Arina. Infrastruktura przedstawia się następująco: rurociągi przewodzące wodę o niższej temperaturze niż konwencjonalne (<60°C zamiast <110°C) zbudowane są z plastiku, a nie stali, co już zmniejsza koszty.

Latem większość ciepła pochodzącego z wody użytkowej do systemu dostarcza Arina: w dzień ciepło jest magazynowane w zasobnikach, a nocą wykorzystywane w ogrzewaniu i do produkcji ciepłej wody. Zimą do produkcji ciepła dla zespołu budynków dołącza elektrociepłownia. Ponadto wszystkie budynki mają okna o wysokiej izolacji ciepła, systemy odzyskiwania ciepła z klimatyzacji i wody ściekowej, panele solarne na dachach. Arina ma geotermalną pompę ciepłowniczą o mocy 260 kW, która używa CO2 zamiast freonu.

Z fabryki samochodów do mieszkania

W Poznaniu wykorzystywanie procesów GOZ odbywa się na linii współpracy przemysłu i ciepłownictwa. Otóż wraz z Volkswagen Poznań Veolia Energia Poznań wdrożyła rozwiązanie ponownego wykorzystania ciepła odzyskanego z procesu chłodzenia sprężarek. Poprzez przeznaczony do tego celu węzeł ciepłowniczy ciepło jest odzyskiwane i przekazywane do sieci ciepła systemowego, którym zarządza Veolia.

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. Dzięki wdrożonemu rozwiązaniu ciepło nie jest już odprowadzane do atmosfery, tylko zostaje wykorzystane do ogrzewania budynków za pośrednictwem miejskiej sieci cieplnej.

Woda w obiegu chłodzenia sprężarek odbiera ciepło z układu sprężarkowego i podgrzewa się do temperatury maks. 900°C. Następnie poprzez wymiennik ciepła jest transferowana do obiegu pośredniego. Tam za pomocą układu pompowego ciepło przekazuje się do wymiennika sieciowego należącego do Veolii, który podgrzewa wodę w rurociągu powrotnym i oddaje energię bezpośrednio do miejskiej sieci cieplnej.

W ramach projektu powstały m.in. dwa węzły ciepłownicze oraz blisko 2 km rurociągów o objętości kilkunastu metrów sześciennych. Sam proces odzysku ciepła z instalacji technologicznych był już wcześniej stosowany w Polsce i na świecie, natomiast innowacyjne jest połączenie odzysku z wprowadzeniem tego ciepła do sieci ciepłowniczej.