Využití odpadního tepla pro výrobu elektřiny, tepla a chladu

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

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.

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).

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).

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.

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)