Se zvyšujícími se nároky na efektivitu a účinnost energetických procesů se stále zvyšuje význam využití energie takzvaného odpadního tepla. Tedy tepla, které by za normálních podmínek bylo vypouštěno do okolí bez jakéhokoliv účelného využití.

Vývoj technologií v posledních letech postoupil natolik, že je často ekonomicky výhodné energii odpadního tepla z průmyslových procesů, ale i z dalších oblastí lidského života využívat.

Využitím odpadního tepla dochází kromě efektivnějšího užití energie v průmyslových procesech také například ke snižování energetické náročnosti budov, v čemž vidí významný potenciál také nedávno schválená aktualizovaná Státní energetická koncepce (SEK). Ta mimo jiné nabádá také k maximálnímu využití odpadního tepla z jaderných elektráren.

Účelem tohoto článku je blíže představit několik technologií využívajících odpadní teplo jako hnací energii pro výrobu elektřiny, tepla nebo chladu. Jedná se o obecný úvod do problematiky, na který budou navazovat články popisující konkrétní realizované projekty.

Zdroje odpadního tepla

Ocelárna - zdroj odpadního tepla
Ocelárna – zdroj odpadního tepla. Zdroj: www.ethosgen.com

Jak je již uvedené výše, zdroje odpadního tepla jsou všude kolem nás. Pohled na vodní páru stoupající z chladící věže elektrárny si pravděpodobně vybaví každý. Kromě uhelných kondenzačních a jaderných elektráren, které vypouštějí do okolního prostředí běžně více než polovinu energie získané z paliva, je obrovské množství odpadního tepla produkováno v průmyslových procesech.

Mezi průmyslové procesy, které se řadí k největším producentům odpadního tepla patří ropné rafinérie, ocelárny, sklárny, papírny a další. Velké množství tepla je odváděno také z výrobních procesů v potravinářském průmyslu.

Dalším zdrojem odpadního tepla jsou například velká datová centra, která vyžadují kontinuální chlazení. Zdrojů je tedy celá řada, jaké jsou technologie pro využití této energie?

Výroba elektřiny – Organický Rankinův cyklus

Využitím organického Rankinova cyklu (ORC) lze odpadní teplo z průmyslových procesů využít k výrobě elektřiny. Princip tohoto cyklu je v podstatě totožný s klasickým Rankin-Clausiovým parním cyklem využívaným v kondenzačních elektrárnách. Rozdíl spočívá pouze v použité pracovní látce, kterou zde není voda, ale médium s nižší teplotou varu (například některé druhy silikonového oleje). Díky nižší teplotě varu pracovního média je jako zdroj tepla pro výrobu elektřiny v ORC jednotce využívána například geotermální energie, solární energie, biomasa nebo právě odpadní teplo.

Organický Rankinův cyklus
Organický Rankinův cyklus. Zdroj: www.epa.gov

V první fázi je pracovní médium v kapalném skupenství přivedeno do výparníku (Evaporator), ve kterém dochází je mu tepelná energie zdroje tepla (Hot Resource) a dochází tak k jeho vypařování. Páry pracovního média putují poté do turbíny, kde expandují (dochází ke snížení tlaku), přičemž roztáčí turbínu a s ní spojený alternátor, který vyrábí elektřinu. Pára následně zkondenzuje v kondenzátoru (Condenser) a celý cyklus začíná znovu.

ORC cyklus je díky svým výhodám ve srovnání s klasickým Rankinovým cyklem stále více využíván také při kogeneraci.

Výroba chladu – Absorpční chlazení

Absorpční chlazení je založeno, jak již název vypovídá, na fyzikálním ději zvaném absorpce, při kterém se rozpouští plynná fáze v kapalině. Plyn se přitom nazvývá absorbát a kapalina absorbent. V uvedeném příkladu je absorbátem voda a absorbentem vodný roztok bromidu litného (LiBr).

Absorpční cyklus
Schéma absorpčního cyklu. Zdroj: www.pe.cz

V absorpčním chladícím cyklu odebírá kapalné chladivo (5) latentní teplo ze vstupující chlazené vody (8) a ve výparníku (10) se vypařuje. Páry chladiva jsou následně v absorbéru (11) absorbovány koncentrovaným roztokem bromidu litného (6). Roztok nasycený vodní párou putuje do generátoru. Aby byly páry vody z roztoku vypuzeny, je do generátoru dodáváno teplo (například odpadní teplo o teplotě 80 až 120 °C), které zapříčiní vypaření absorbátu. Z generátoru proudí chladivo do kondenzátoru a odpud zpět do výparníku. Koncentrovaný roztok absorbentu se vrací zpět do abrosbéru.

Energetická účinnost absorpčního chladícího systému je dána jeho takzvaným výkonovým číslem, které se vypočítá jako poměr chladícího výkonu a tepelného příkonu dodaného do generátoru.

Výroba tepla – Absorpční tepelné čerpadlo

Tepelnými čerpadly se blíže zabýva náš předchozí článek, ve kterém je vysvětlen princip funkce, popsány základní komponenty a uvedeno rozdělení, a to jak podle nositele nízkopotenciálového tepla a nositele přečerpané energie, tak podle druhu hnací energie. Absorpční tepelné čerpadlo používá jako hnací energii tepelnou energii v podobě teplé/horké vody, vzduchu či páry o určité minimální teplotě (uvádí se alespoň 88 °C). Přitom platí, že čím vyšší teplotu hnací energie má, tím efektivněji tepelné čerpadlo pracuje.

Pokud je teplota hnací energie nižší než 100 °C, klesá hodnota topného faktoru (COP) pod 1 a využití absorpčního tepelného čerpadla má v takovém případě ekonomické opodstatnění pouze v případě, že dodané teplo nemá žádnou ekonomickou hodnotu (což je případ odpadního tepla).

Nízkopotenciálové teplo, jež je přečerpáváno na vyšší teplotní úroveň, by také mělo být bez ceny (odpadní tepo s nižší teplotou, energie vzduchu, vody nebo země).

Princip funkce absorpčního tepelného čerpadla
Princip funkce absorpčního tepelného čerpadla: Zdroj: SEVEn Energy s.r.o.: Nové technologie a aplikace tepelných řerpadel rozšiřující možnosti jejich uplatnění (nejen) v podmínkách ČR (2014)

Tepelná čerpadla absorpčního typu nalezla doposud upatnění jak v průmyslových aplikacích, tak v systémech dálkového vytápění a chlazení. Díky technologickému pokroku lze na trhu nalézt tato tepelná čerpadla s menšími výkony, jež jsou vhodné pro administrativní a obytné stavby. U těchto aplikací je hnacím médiem teplo ze spáleného zemního plynu a nízkopotenciálovým (primárním) teplem vzduch, země nebo voda.

Výroba elektřiny tepla a chladu – Trigenerace

Pojem trigenerace vyjadřuje kombinovanou výrobu elektřiny, tepla a chladu. technologicky se jedná o spojení kogenerační jednotky s absorpční chladicí jednotkou. Velkou výhodou využití kogenerační jednotky v trigeneračním zapojení je možnost využití vyráběného tepla i v létě, mimo topnou sezónu, a tím dosáhnout značného prodloužení ročního chodu jednotky. Možná je samozřejmě také současná výroba všech tří forem energie – elektřiny, tepla a chladu.

Trigenerace
Princip trigenerace. Zdroj: kogenerace.tedom.com

 

Reference: www.pe.cz, www.tzb-info.cz, kogenerace.tedom.com, SEVEn Energy s.r.o.: Nové technologie a aplikace tepelných čerpadel rozšiřující možnosti jejich uplatnění (nejen) v podmínkách ČR (2014)

Komentáře

0 komentářů ke článku "undefined"

Přidat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *