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 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.

Naturalnie 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: 

Gdzie:

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

T_C– 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

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

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: 

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