body_class();

OUTSOURCING INŻYNIERÓW – KOLEJNY ETAP W ROZWOJU FIRM

Jeden z największych innowatorów technicznych, produkcyjnych i biznesowych wszech czasów – Henry Ford powiedział: „Jeśli jest coś, czego nie potrafimy zrobić wydajniej, taniej i lepiej niż konkurenci, nie ma sensu, żebyśmy to robili i powinniśmy zatrudnić do wykonania tej pracy kogoś, kto zrobi to lepiej niż my”. Od outsourcingu księgowości do outsourcingu inżynierów.

Przytoczone słowa są tak banalne, ale i zarazem stanowią genialną myśl, którą można potraktować jako esencję outsourcingu. Samo słowo outsourcing pochodzi z języka angielskiego
i w wolnym tłumaczeniu oznacza czerpanie z zewnętrznego źródła. W rzeczy samej, pod względem biznesowym chodzi o „wydzielenie na zewnątrz” części lub całości procesu z firmy matki.
Pod względem logicznym outsourcing opisuje schemat zamieszczony na rysunku 1.

Rys. 1. Zasada działania outsourcingu

Po co outcourcujemy?

Wydzielanie na zewnątrz niektórych działań, bez względu na branżę (jeśli zminimalizuje się ryzyko), może przynieść klientowi wiele korzyści. Głównymi celami outsourcingu jest:

  • zmniejszenie kosztów,
  • eksport ryzyka,
  • koncentracja na głównej działalności,
  • elastyczność w czasie zmian rynkowych,
  • dostęp do specjalistycznej wiedzy i inne.

Krótka historia outsourcingu

Początki outsourcingu sięgają lat 70-tych w USA. Początkowo outsourcing był metodą na zmniejszenie kosztów realizacji niektórych zadań, np. księgowości lub HR.
Jednak wraz z rozwojem technologii komunikacji oraz z dalszym rozrostem wielkich koncernów zaistniała potrzeba dalszego wydzielania zadań poza obręb firm. Eksport ryzyka, ale przede wszystkim chęć skupienia się na swojej podstawowej działalności sprawiły, iż w latach 80-tych pojawił się outsourcing IT, ale także facility management i innych wymagających coraz bardziej specjalistycznej wiedzy branż.

Wielkie sieci handlowe są jednymi z największych posiadaczy powierzchni komercyjnych na świecie. Gdyby nie outsourcing, firmy te przerodziłyby się w usługodawców facility management na własne potrzeby, a handel zszedłby na drugie lub trzecie miejsce (także za transportem).

Początek XXI wieku, to dalszy rozwój technologii. Chęć wielkich koncernów korzystania z nich popchnęła firmy do outsourcowania coraz bardziej zaawansowanych technologiczne zadań, części lub całych działów technicznych, a nawet działów rozwoju – czyli tego co wyróżnia firmy na tle konkurencji. Powyższe przykłady dotyczą takich firm jak Auchan, BP,
Unilever i innych.

W Polsce historia outsourcingu naturalnie jest krótsza i sięga początku lat 90-tych. Niektóre jej etapy naszły na siebie. Część idei outsourcingowych przychodzi bezpośrednio z zachodnimi firmami, część jest potrzebą polskich przedsiębiorców. Na dzień dzisiejszy zakres zadań wydzielanych w polskich firmach jest na poziome tego, co działo się w USA między latami
80-tymi a 2000. Przykładem może być współpraca między KGHM a firmą Impel w zakresie utrzymania czystości lub niezliczona ilość firm outsourcujących IT.

Dostępność rynków europejskich oraz dążenie polskich firm do oferowania produktów o dużej wartości dodanej sprawia, że outsourcing inżynierów także i u nas jest jedynie kwestią czasu. Napędem dla specjalizacji outsourcingu jest jednocześnie rozwój technologii oraz zmiany rynkowe (łączenie się firm lub podziały, itd.).

Cele outsourcingu

Potrzeby przedsiębiorców uzasadniające outsourcing przedstawia wykres na rysunku 2.

Rys. 2. Cel outsourcingu dla przedsiębiorców

Najprostszą formą outsourcingu szeroko stosowaną w sieciach handlowych jest marchandising lub obsługa kas. Są to działania nie wymagające bardzo zaawansowanej wiedzy,
a zatem głównym celem jest zmniejszenie kosztów oraz nakładów czasu na obsługę HR.

Kolejnym stopniem jest księgowość, IT i tym podobne. Obniżanie kosztów nadal jest ważne, ale równie istotnym staje się możliwość skupienia przedsiębiorstwa na core własnej działalności oraz dostęp do zawsze aktualnej, już nieco specjalistycznej wiedzy.

Etapem, który przypada na zachodzie mniej więcej na rok 2010 i jest aktualnie w pełnym wzroście jest outsourcing inżynierów. Międzynarodowe korporacje, ale także np. wojsko USA powierzają część swoich działów rozwoju firmom zewnętrznym. To daje im dostęp do wiedzy stricte specjalistycznej, umożliwiając pozostanie konkurencyjnym. Zmniejszenie kosztów należy w takim wypadku szacować w stosunku do stworzenia działu rozwoju we własnej firmie, a nie do pracy pojedynczej osoby. Outsourcing inżynierów oznacza „być” lub „nie być”
dla firmy.

W branży chłodniczej przykładem zastosowania może być wykupienie jednej sieci handlowej przez drugą. Kiedy to z dnia na dzień obowiązki działu technicznego firmy nabywającej są podwajane. Dalej przenosi się to na dostawców usług, materiałów itd. Nie zawsze jest chęć lub możliwość nabycia podmiotu z jego pełną obsługą. W takiej sytuacji dział techniczny klienta handlowego wymaga szybkiego rozwoju o specjalistyczny personel. Outsourcing inżynierów jest naturalnym rozwiązaniem. Ta sama sytuacja dotyczy firm serwisujących np. chłodnictwo dla danego klienta. Szybki i znaczny rozrost działu serwisu jest bardzo skomplikowany, ale też nieopłacalny pod względem kosztowym jak i poświęcanego mu czasu. Wydzielenie administracji własnym serwisem lub obowiązków ekip serwisowych ułatwia działanie i znacznie zmniejsza ryzyko związane z realizacją kontraktu. Nie do pominięcia jest także zagadnienie wizerunkowe związane z możliwością stanięcia na wysokości zadania wobec klienta.

Powyższy przykład pokazuje jak outsourcing inżynierów może znaleźć zastosowanie w firmie nie technologicznej (firma handlowa), w przypadku której realizacja core businessu zawiera część technologiczną – obsługę facility management, ale także firma technologiczna – serwisant. W przypadku serwisu dostęp do outsourcingu umożliwia elastyczne działanie wobec potrzeb rynkowych przy jednoczesnym skupieniu się na części swojej działalności przynoszącej największy rozwój – czyli np. budowy.

Oczywiście wydzielanie pewnych działań poza własną firmę niesie ze sobą szereg wyzwań. Obejmuje ono ryzyko:

  • niższej jakości usługi lub produktu,
  • utraty wewnętrznych kompetencji,
  • wzrostu kosztów,
  • monopolu firmy outsourcującej,
  • ciągłości biznesowej,
  • spadku aktywności,
  • wycieku informacji.

Podstawą udanej realizacji outsourcingu jest precyzyjne określenie zadań i obowiązków, a także mechanizmów i metod którym podlegają wykonywane prace oraz współpraca między klientem a usługodawcą. Przekłada się to bezpośrednio na podpisanie przemyślanego kontraktu SLA (Service Level Agreemnts) zawierającego klauzulę poufności (NDA), metodę kontroli
i oceny wykonanych prac. Dla klienta korzystne jest także zachowanie firmy konkurencyjnej, która w wypadku braku realizacji usługi przez outsourcera kontraktowego podejmie odpowiednie działania zapewniające płynność wykonywania zadania. Sposób rozliczania ma znaczny wpływ na ryzyko kosztowe. Można umówić się na wynagrodzenie ryczałtowe, zmienne lub na model mieszany (podstawa + dodatkowe usługi). Rozliczenie ma także bezpośredni wpływ na elastyczność współpracy między firmami – Im bardziej przewidywalne koszty,
tym mniejsza elastyczność.

Outsourcowane w chłodnictwie branże to:

  • administracja serwisu,
  • ekipy interwencyjne / serwisowe,
  • ekipy budowlane,
  • projektowanie i audyt,
  • kierowanie projektem,
  • kierowanie budową,
  • inżynier handlowiec.

Słowem zakończenia. Outsourcing inżynierów jest metodą działania tak dla firm technologicznych jak i nie technologicznych. Umożliwia dużym firmom skupienie się na core własnego businessu. Małe firmy dzięki niemu mogą realizować duże kontrakty, konkurując z największymi. Dostęp do specjalistycznej wiedzy zyskują wszyscy.

 

Dla Chłodnictwo & Klimatyzacja

Maurycy Szwajkajzer

Nowości na R744 od Alfa Laval

Alfa Laval na targach Chillventa 2016 zaprezentowała sześć nowych produktów dostosowanych do wymagań i własności CO2. Nowe produkty wykorzystują potencjał lepszej wymiany ciepła i własności fizyczne R744.

Na stoisku prezentowane były dwie chłodnice przemysłowe serii Arctigo do zastosowań w centrach dystrybucyjnych. Arctigo IS z jednostronnym przepływem powietrza oraz Arctigo ID z obustronnym przepływem powietrza.

Chłodnice dostępne są do zastosowań w przechowywaniu produktów świeżych jak i mrożonych. Wykonanie z dwustronnym wydmuchem powietrza produkowane dla temperatur produktów od +20 do -35°C. Chłodnice z jednostronnym wydmuchem powietrza mogą pracować z produktami o temperaturach przechowywania od +10 do -40°C. Dodatkowo każda z wyżej wymienionych chłodnic dostępna jest w geometriach bloku dostosowanych do zachowania odpowiedniej wilgotności atmosfery.

Całkowicie nowym pomysłem na produkt jest chłodnica powietrza do zastosowań w centrach danych. Arctigo LSV zaprojektowane są specjalnie do aplikacji chłodzenia powietrza w serwerowniach. Odpowiednia obudowa, sposób mocowania i dobór na parametry powietrza w serwerowniach zapewnia optymalne rozwiązanie dla tego typu aplikacji.

Chłodnice zaprojektowano do wykorzystania wody jako medium chłodniczego, w połączeniu z wolnym przepływem powietrza zapewnia najniższe PUE (stosunek całkowitej ilości energii zużywanej przez centrum danych komputerowych do energii dostarczanej do urządzeń komputerowych), dzięki czemu system jest bardzo wydajny.

Zaprezentowano również nowe chłodnice cieczy Alfa Laval Abatigo do wykorzystania w układach do chłodzenia serwerowni, systemach komercyjnych do chłodzenia cieczy w obiegu „water loop”, jak i przede wszystkim do zastosowań przemysłowych.

 

Dla Chłodnictwo & Klimatyzacja

Maurycy Szwajkajzer

MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA POMPY CIEPŁA

Sektor przemysłowy odgrywa ważną rolę w popycie na energię finalną i emisję CO2. Zapotrzebowanie przemysłu w około trzech czwartych przypada na ciepło. Pompy ciepła mogą poprawić efektywność wykorzystania energii i redukcję emisji CO2. Szczególnie teraz gdy Polska jest zobowiązana do zmniejszenia emisji CO2.

Istnieje dużo typów pomp ciepła. Główna uwaga zostanie skupiona na sprężarkowych pompach ciepła wykorzystujących mechaniczną kompresję czynników roboczych w obiegu zamkniętym. W artykule przedstawiono możliwości technologiczne i kierunek ich rozwoju.

Tabela 1: Typy pomp ciepła (Ranade 1989, prace własne)

Dostępność technologii i komponentów pozwala budować urządzenia w szerokim zakresie wydajności i dla różnych aplikacji. Dziś dostępne urządzenia jak i elementy pozwalają swobodnie budować pompy osiągające temperaturę do 80°C pracując na źródłach ciepła o temperaturach od -10°C do +40°C. Osiągane wtedy COPh waha się między 2,5 a 5,8. Prowadzone badania i rozwój technologii sprawia, że w niedalekiej przyszłości możliwe będzie uzyskanie temperatury użytkowej do 160°C.

Wykres 1: Lambauer 2012, IER

Jakie jest zapotrzebowanie na ciepło w przemyśle?

Około 14% zapotrzebowania na ciepło w przemyśle przypada na temperatury do 80°C co z powodzeniem może być realizowane przy pomocy aktualnie dostępnych rozwiązań. W momencie rozwoju pomp ciepła z temperaturą użytkową 160°C ich udział może wrosnąć nawet do 32%. Mimo tego, że już dzisiaj możemy w znaczący sposób być obecni przy produkcji ciepła, aplikacje przemysłowe są dość rzadkie. Wydaje się ,że główną barierą jest niedostateczna wiedza o możliwościach wykorzystania pomp ciepła w przemyśle.

 

Gdy mówimy o chłodnictwie, sposób jego podziału i klasyfikowania jest prosty i ogólnie znany. Mimo, że pompy ciepła z racji swojej budowy istnieją równie długo jak sprężarkowe instalacje chłodnicze, wydaje się, że nie doczekały się systematycznego podziału.

Autor uważa, że analogicznie do instalacji chłodniczych pompy ciepła można klasyfikować wg. osiąganych temperatur. Proponuje się następujący podział:

  • Pompy niskotemperaturowe: Tużytkowa = +/- 35°C
  • Pompy średniotemperaturowe: Tużytkowa < = +/- 85°C
  • Pompy wysokotemperaturowe: Tużytkowa > +85°C

Podobnie jak w chłodnictwie – technologia jest wynikową.

Jaki czynnik chłodniczy do pompy ciepła?

Elementem który wynika bezpośrednio z wymaganej temperatury jest stosowany czynnik. Kryteria które powinien spełniać czynnik roboczy dla przemysłowej pompy ciepła to: wysoka temperatura krytyczna, niskie ciśnienia pracy, zerowy wsp. ODP. Pożądane są także niskie wsp. GWP, nie palność i brak toksyczności. Poniżej porównano czynniki wg. osiąganych temperatur.

Tabela 2. Podstawowe właściwości czynników chłodniczych stosowanych w pompach ciepła.

Z powyższej tabeli a także specyfiki czynników wynika, że:

  • R134a, (R407C, R410A) nadaje się do aplikacji w których wymagane jest ciepło w temperaturze Tużytkowa maks..≤ 85°C
  • R600a do aplikacji małych i bardzo małych
  • R1336mzz-Z (R245fa) do aplikacji w których wymagane jest ciepło w temperaturze Tużytkowa.maks.≤ 160°C (140°C)
  • R717 (amoniak) dla dużych i bardzo dużych aplikacji Tużytkowa min.≥ 80°C, Tużytkowa maks.=110°C
  • R744 (CO2) do aplikacji w których potrzeba jest ogrzać medium z niskiej temperatury do wysokiej, Tużytkowa maks.=130°C

Szczególnie duże oczekiwania są wobec czynnika R1336mzz-Z (w fazie testów oznaczany DR-2, teraz HFO-Z-1336mzz-Z) który ma w zamyśle zastąpić czynnik R245fa.

Wykres 1: Ciśnienie pary nasyconej R134a, R245fa, R1336mzz-Z (DR-2) , Kontomaris , 2013

Wykres 1 obrazuje zakres ciśnień i temperatur skraplania. Przyjmując za limit ciśnienie 2,5 Mpa możemy zaprojektować system o temperaturze skraplania na poziomie około 160°C. Sprawność układów obrazuje wykres 2. Dla przykładu pompa ciepła pracująca na cieple ze skraplania z instalacji chłodniczej osiągająca temperaturę 70°C uzyska COPh≈ 6,2.

Wykres 2: COPh dla R134a, R245fa, R1336mzz-Z (DR-2) przy Tparowania=Tskraplania -40°C, Kontomaris , 2013

Na wykresie 3 można zobaczyć kolejne własności termofizyczne czynnika. Widoczne jest dosyć mocne nachylenie linii nasycenia w prawo co będzie skutkowało koniecznością uzyskiwania znaczącego przegrzania.

Wykres 3: Wykres ciśnienie – entalpia dla R1336mzz-Z (DR-2), (www.kth.se)

Przedstawione własności czynnika świadczą o dużym potencjale w zastosowaniu do wysokotemperaturowych pomp ciepła. Muszą one jedynie zostać potwierdzone przez niezależne ośrodki badawczo-rozwojowe.

R744 (CO2)

Czynnikiem który przeżywa drugą młodość jest R744 (CO2). Wysoka sprawność egzergetyczna w układzie pracującym na parametrach nadkrytycznych daje bardzo praktyczne możliwości. Jesteśmy w stanie podgrzewać medium z temperatury niskiej , rzędu +10°C do temperatury +90°C w jednym przepływie przez wymiennik uzyskując bardzo korzystną efektywność energetyczną, nie możliwą do uzyskania w innych przypadkach. Dostępne są już urządzenia pracujące w systemie zasilania wodą +12°C, na wyjściu +7°C i produkujące ciepłą wodę użytkową o temperaturze +60°C z temperatury +10°C ze sprawnością łączną 8,4. (COP= 3,7 , COPh=4,7).

Wykres 4: Wobst 2008, IW-S
    

Wskazana zaleta ma zastosowanie np. w hotelach , gdzie jest bardzo duże zapotrzebowanie na C.W.U i jednocześnie wymagana jest klimatyzacja pomieszczeń oraz chłodzenie. Dodatkowo stosowanie układów z płynną regulacją wydajności i z bardzo dużym przyrostem temperatury powoduje brak konieczności magazynowania dużych ilości ciepła lub produkowania go na zapas.

Kolejnym równie ważnym elementem, który należy rozważyć to rodzaj dolnego źródła ciepła oraz jego temperatura. Na dzień dzisiejszy dolnym źródłem ciepła najczęściej są powietrze oraz grunt. Rzadziej spotyka się wodę, glikole z różnorodnych technologii, powietrze odpadowe, energię procesów, ciepło rozkładu odpadów, ciepło technologiczne, woda odpadowa.

Mimo iż technologia pozwala na znacznie więcej, aktualnie pompy ciepła są stosowane do C.O. lub C.W.U. w biurowcach i mieszkaniówce. Nieliczne są przykłady wykorzystywania pomp ciepła i układów skojarzonych jak suszenie drewna i produkcja spożywcza (browary, mleczarnie). W Polsce roczne zapotrzebowanie na ciepło szacuję się na 280 TWh, w Niemczech 524 TWh.

Potencjalne procesy technologiczne do których jako źródło ciepła można wykorzystać pompy ciepła i wymagane temperatury przedstawia tabela poniżej.


Źródło: Lauterbach 2011, IER

Aktualne ścieżki rozwoju to ciągłe zwiększanie osiąganej temperatury oraz zastosowanie w nowych branżach – jak pisano wyżej najlepiej w skojarzeniu z chłodzeniem.

Prowadzone są prace badawczo-rozwojowe nad wykorzystaniem pomp ciepła w nowych przestrzeniach. Przykładem może być budynek biurowy w Hamburgu (podobne także istnieją w Polsce) w którym źródłem ciepła dla pompy ciepła jest układ odzysku ciepła z serwerowni. Temperatura źródła ciepła jest w zakresie +16 ÷ +6 °C. Ciepło użytkowe dostarczane jest w temperaturze +35 ÷ +45 °C.


Źródło: Lambauer , 2012 IER

Instalacja została wykonana na dobrze poznanym czynniku roboczym R134a. Zintegrowana efektywność energetyczna takiego rozwiązania średnio w okresie użytkowania wynosi 7,7. Instalacja pracuje od 2011r.

Energia we wszystkich strefach działalności jest coraz lepiej wykorzystywana – to jest ekologiczne i to się opłaca. Prowadzone są intensywne prace nad odzyskiwaniem energii w wielu branżach, przekształcaniu jej w formę zdatną do dalszego wykorzystania i przekazania do miejsca gdzie jest potrzebna. Autor uważa, że już niedługo to co znajdziemy w maszynowniach równie dobrze będzie można nazwać instalacją chłodniczą jak pompą ciepła. Można sobie wyobrazić sytuację gdy energia (cieplna, elektryczna, paliwo) będzie zużywana tylko na jeden proces w fabryce a wszystkie kolejne procesy będą zasilane z jej przekształceń. Łącznie z energią elektryczną – ORC.

Dla Chłodnictwo & Klimatyzacja

Paweł Rachwał
Maurycy Szwajkajzer

WYKORZYSTANIE CIEPŁA ODPADOWEGO UKŁADÓW CHŁODNICZYCH DO UZYSKANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Śmiało można stwierdzić, że skuteczne ekonomicznie oraz technologicznie wykorzystanie ciepła odpadowego instalacji chłodniczej jest tematem przyszłości. Jest to z jednej strony sposób na oszczędność pieniędzy – business, a z drugiej na zmniejszenie produkcji CO2 a więc ekologia i tylko w tym połączeniu należy rozpatrywać przydatność poszczególnych rozwiązań. Na dzień dzisiejszy wielu klientów rozważa lub wprowadza odzyski ciepła mające na celu podgrzanie ciepłej wody użytkowej lub wody służącej do centralnego ogrzewania. Jest to prosty i sprawdzony sposób na nie wyrzucanie energii (więc także pieniędzy i CO2) do atmosfery.
Można jednak iść o krok, duży krok dalej. Jak napisano w tytule do uzyskiwania energii elektrycznej.
Produkcja energii elektrycznej z ciepła odpadowego mogłaby w przyszłości być bardzo znaczącym źródłem zasilania każdego obiektu zawierającego chłodnictwo. W supermarkecie o powierzchni około 14 000 m2 od 50 do 70% energii eklektycznej jest zużywane przez chłodnictwo i klimatyzację.
Poniżej w formie wykresu kołowego przedstawiono zużycie prądu przez supermarket wielkopowierzchniowy.

Rysunek 1. Zużycie prądu przez sklep wielkopowierzchniowy. Oświetlenie halogenowe
Rysunek 1. Zużycie prądu przez sklep wielkopowierzchniowy. Oświetlenie halogenowe

 

Rysunek 2. Zużycie prądu przez sklep wielkopowierzchniowy. Oświetlenie LED
Rysunek 2. Zużycie prądu przez sklep wielkopowierzchniowy. Oświetlenie LED

Ile ciepła odpadowego można wykorzystać?

Przy uśrednionym COP na poziomie 2,3 i sprawności odzysku ciepła 30% możliwa do uzyskania energia eklektyczna to do 80% zapotrzebowania elektrycznego oświetlenia, produkcji oraz biur. Na dzień dzisiejszy taki bilans elektryczny obiektu jest nieosiągalny, niemniej jednak warty rozważenia jako technologia przyszłości.

Z doświadczenia także można stwierdzić, że typowy supermarket spożywczo-przemysłowy posiada instalację chłodniczą, która pozwala przy odzyskaniu tylko ciepła przegrzania na ogrzanie całego zapotrzebowania wody użytkowej obiektu od 10 do 55°C. Dla przykładu duży supermarket zużywa dobowo około 12m3.

Odebranie ciepła przegrzania czynnika nadal pozostawia bardzo znaczną ilość ciepła do wykorzystania. Czyli ciepło skraplania oraz nieznaczną ilość ciepła dochłodzenia ciekłego czynnika.

Uśredniając można stwierdzić, że w formie ciepła przegrzania (bez zmiany fazowej) dostępne jest 30% ciepła skraplania.

A zatem do odebrania pozostaje 70% energii skraplania. Niestety jest to energia o niskiej temperaturze która pozwala ogrzać znaczne ilości wody, ale do niskiej temperatury około 35°C lub nawet mniej. Woda o takich parametrach nie nadaje się na wodę użytkową ani do ogrzania budynku (ewentualnie ogrzewanie podłogowe). Zmusza to inwestora do potraktowania odzysku ciepła skraplania jako wstępnego podgrzania wody, która następnie nadal musi zostać dogrzana przez tradycyjną instalację grzewczą (np. piec). Odzysk ciepła skraplania do ogrzania wody jest tylko połowicznym sukcesem i nadal pozostawia klienta z energią w formie ciepła, która nie zawsze jest przydatna (np. latem).

Idealnym więc rozwiązaniem byłoby wykorzystanie ciepła odpadowego do wytwarzania energii elektrycznej, na którą zapotrzebowanie jest mniej zmienne w skali roku a możliwości wykorzystania bardzo szerokie.

W tym kontekście szczególnie ciekawe są dwie technologie: zjawisko termoelektryczne, oraz obieg Stirlinga.

Zjawisko termoelektryczne

Główny potencjał zjawiska termoelektrycznego polega na jego rozpowszechnieniu na rynku. Urządzenia działające na jego zasadzie stosowane są już w chłodziarkach przenośnych, odzieży chłodzącej, chłodzonych siedzeniach samochodowych, medycynie, zegarkach zasilanych ciepłem użytkownika, elektronice i innych. Moduły termoelektryczne są szeroko dostępne w różnych rozmiarach oraz wydajnościach.

Zjawisko termoelektryczne a dokładniej w tym przypadku efekt Peltiera zachodzi na granicy dwóch różnych przewodników lub półprzewodników N i P jeden o przewodności elektronowej a drugi dziurowej. Upraszczając, przepływ prądu powoduje, że jedno ze złączy staje się złączem zimnym a drugie ciepłym tym samym transportując ciepło między nimi. To które ze załączy jest ciepłym a które zimnym zależy od kierunku przepływu prądu.

Zjawiskiem odwrotnym jest efekt Seebecka. Polega on na powstaniu siły termoelektromotorycznej przy umieszczeniu złączy dwóch różnych przewodników lub półprzewodników w różnych temperaturach. Przy zamknięciu obwodu popłynie prąd.

efekt SeebeckaNaturalnie więc efekt Seebecka jest metodą na uzyskanie energii elektrycznej z ciepła odpadowego instalacji chłodniczej. Jak już wcześniej wspomniano warunkiem koniecznym jest odzyskanie energii ze źródła o relatywnie niskiej temperaturze.

Sprawność konwersji energii termicznej na energię elektryczną jest głównym zagadnieniem i można ją obliczyć wg wzoru: Wzór na Sprawność konwersji energii termicznej na energię elektryczną

Gdzie:

TH– temperatura złącza ciepłego (ciepła dostarczanego / odpadowego) [K]

TC– temperatura złącza zimnego (dolnego źródła ciepła) [K]

ZT – współczynnik określający sprawność przemiany energii termicznej na elektryczną materiału z którego zbudowana jest termopara [bez jednostki]

Dla aktualnie istniejących technologii oraz materiałów sprawność wacha się między 0,04% a 2%.

Uzyskiwana sprawność oznacza, że wykorzystanie energii termoelektrycznej do odzysku ciepła skraplania jest ekonomicznie i technologicznie nie uzasadnione.

Dla instalacji o mocy 100 kW pracującej w temperaturach -10/+45 oraz COP 2,3 uzyskano by nie więcej niż 3 kW energii elektrycznej. Ta wartość nie wystarczy nawet do zasilenia automatyki sterowniczej agregatu.

Istnieje jednak inne zastosowanie pozwalające wykorzystywać tę technologię już aktualnie.

Ciepło skraplania nie jest jedynym dostępnym źródłem energii cieplnej w układzie chłodniczym. Instalacja chłodnicza w sklepie jest często bardzo rozproszona a także rozproszone są lokalizacje zapotrzebowania na energię elektryczną. Rura z ciekłym czynnikiem chłodniczym ma temperaturę około 30°C. Jest to więc źródło ciepła lokalne, które można wykorzystać do uzyskania niewielkiej ilości energii. Przy spadku temperatury 10°C aktualnie dostępne ogniwa termoelektryczne uzyskują moc do 30W/cm2. To jest moc wystarczająca do zasilenia urządzeń pomiarowych (np. termometrów), niektórych sterowników a potencjalnie nawet oświetlenia LED w meblach. Możliwe jest także obudowanie silników elektrycznych ogniwami i wykorzystanie uzyskanej w ten sposób energii do zasilenia urządzeń zabezpieczających lub pomiarowych.

Poniżej przedstawiono propozycję elementu zbierającego energię elektryczną z rurociągu. Za budową elementów jak poniżej dodatkowo przemawia szeroka dostępność elementów składowych oraz nieskomplikowanie techniczne w ich budowie. Można zatem konstruować modułowe elementy do poboru prądu wg średnicy rurociągu. Takie urządzenie na rurociągu także dochładzało by ciekły czynnik zwiększając moc chłodniczą oraz COP układu.

Rysunek 3. Propozycja elementu do poboru energii eklektycznej
Rysunek 3. Propozycja elementu do poboru energii eklektycznej przy wykorzystaniu ciepła odpadowego

Jako zaletę uznać należy także możliwość wykorzystywania termoelektryki w miejscach gdzie źródła solarne nie mogą pracować czyli w nieoświetlonych pomieszczeniach, szafach elektrycznych itp.

Kolejną zaletą pozyskiwania energii elektrycznej za pomocą efektu termoelektrycznego jest brak ruchomych części takiej instalacji. Rozwiązanie jest trwałe, jego sprawność nie zmienia się w czasie i praktycznie nie wymaga interwencji serwisowych. Nie zawiera f-gazów oraz nadaje się do zastosowań w środowiskach mało przyjaznych dla konwencjonalnego chłodnictwa/generatorów.

Silnik Stirlinga

Nieco inną metodą na pozyskanie energii elektrycznej z ciepła odpadowego układu chłodniczego jest obieg Stirlinga. Jest to silnik cieplny, który zamiast wewnętrznego spalania wykorzystuje ciepło zewnętrzne. Energia cieplna jest więc konwertowana w pracę mechaniczną, która następnie za pomocą generatora może być konwertowana w energię elektryczną. To rozwiązanie także zostało wprowadzone do zastosowań komercyjnych. Co więcej silnik Stirlinga najczęściej jest łączony właśnie z generatorem. Pracujące w takim połączeniu silniki Stirlinga spotykane są w generatorach przenośnych lub stacjonarnych, na statkach podwodnych a także prowadzone są badania nad ich wykorzystaniem w motoryzacji. Brak jest jednak informacji do co zastosowań w chłodnictwie lub klimatyzacji.

Rysunek 4. Komercyjny silnik Stirlinga
Rysunek 4. Komercyjny silnik Stirlinga do wykorzystania ciepła odpadowego

Aktualnie projektowane silniki Stirlinga osiągają sprawność między 15 a 30% (dane z katalogów producentów) a więc wydajność zbliżoną do silników spalinowych. Dzieje się to jednak przy temperaturach górnego źródła ciepła rzędu 750°C czyli znacznie wyższych niż dostępne w układzie chłodniczym.

Obieg realizowany w silniku Stirlinga pracuje podobnie do silnika Carnota. Do wstępnych obliczeń można zastosować następujący wzór na sprawność: wzór na sprawność silnika

Dla temperatur osiągalnych w układzie chłodniczym (+60/15°C) sprawność byłaby rzędu 13%.

Analogicznie dla instalacji chłodniczej o mocy 100 kW pracującej w temperaturach -10/+45 oraz COP 2,3 uzyskano by 18 kW energii elektrycznej. Czyli moc wystarczającą do zasilenia wentylatorów skraplaczy, układu sterowania, wentylacji maszynowni i innych.

Studiując rozwój oferty niektórych producentów komercyjnych silników Stirlinga można stwierdzić, że zastosowanie tej technologii bezpośrednio lub w połączeniu z inną zwiększającą uzyskiwaną temperaturę górnego źródła jest możliwe pod warunkiem obniżenia kosztów inwestycyjnych dla klienta końcowego.

Pośród technologii zwiększających temperaturę górnego źródła ciepła można wymienić:

  • pompa ciepła (bardzo niska całkowita sprawność takiego połączenia)
  • kolektory słoneczne
  • ciepło z piekarni lub pieców technologicznych
  • ciepło spalin generatorów spalinowych
  • ciepło geotermalne
  • spalanie biomasy
  • i inne

Ze względu na rozmiary i skomplikowane połączenie ze źródłem ciepła nie widzi się możliwości umiejscowienia generatora z silnikiem Stirlinga w innym miejscu niż pomieszczenia techniczne.

Jaka jest więc przyszłość ciepła odpadowego i produkcji z niego energii elektrycznej?

Podsumowując. Przydatność do odzysku energii urządzeń termoelektrycznych oraz silnika Stirlinga ze względu na niskie sprawności na dzień dzisiejszy jest ograniczona oraz ekonomicznie nie uzasadniona. Ich charakterystyki oraz możliwe zastosowania są bardzo różne. O ile można przypuszczać, że silnik Stirlinga rozwinie się w kierunku uzasadniającym jego użycie do pełnego odzysku ciepła skraplania z układu chłodniczego o tyle środowiska naukowo techniczne uważają, że ograniczenia w dostępnych „ziemskich” materiałach skazują urządzenia termoelektryczne na pełnienie roli źródeł lokalnych zastępujących baterie (tzw. „energy harvesting”). Nadal jednak w obydwu przypadkach niezmienna pozostaje zaleta polegająca na zerowym koszcie ekologicznym ich pracy.

Dla Chłodnictwo & Klimatyzacja

Maurycy Szwajkajzer