Reklama
 
 
 
Uzyskiwanie energii elektrycznej z ciepła odpadowego układów chłodniczych
Ocena użytkowników: / 2
SłabyŚwietny 
Data dodania: 21.01.2015

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 emisji 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.

 

Na rysunkach 1 i 2 w formie wykresu kołowego przedstawiono zużycie energii elektrycznej przez supermarket wielkopowierzchniowy. 

 

 

2014 12 36 1

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

 

 

2014 12 36 2

 

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

 

 

 

Przy uśrednionym COP na poziomie 2,3 i sprawności odzysku ciepła 30% możliwa do uzyskania energia eklektyczna stanowi 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 można także 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 12 m3.

 

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 nadal musi zostać dogrzana przez tradycyjną instalację grzewczą (np. kocioł). 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 uzyskanie 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.

 

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 (rys. 3.), a dokładniej 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 złączy jest ciepłym, a które zimnym, zależy od kierunku przepływu prądu. 

 

 

2014 12 37 1

Rys. 3. Objaśnienie zjawiska termoelektrycznego

 

 

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

 

 

2014 12 37 2

 

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 30 W/cm2. Jest to 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 takiego układu dodatkowo przemawia szeroka dostępność elementów składowych oraz nieskomplikowana budowa. 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.

 

 

2014 12 37 3

Rys. 4. 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.

 

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 co do zastosowań w chłodnictwie lub klimatyzacji.

 

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:

 

2014 12 38 1

 

Dla wartości temperatury 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:

  • ƒƒpompa ciepła (bardzo niska całkowita sprawność takiego połączenia),
  • ƒƒkolektory słoneczne,
  • ƒƒciepło z piekarni lub pieców technologicznych,
  • ƒƒciepło spalin generatorów spalinowych,
  • ƒƒciepło geotermalne,
  • ƒƒspalanie biomasy,
  • ƒƒi 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.

 

 

2014 12 38 2

Rys. 5. Komercyjny silnik Stirlinga

 

 

Podsumowanie

 

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.

 

 

Maurycy SZWAJKAJZER
kierownik serwisu, projektant oraz kierownik projektu,
Szwajkajzer Engineering

 

 

Artykuł z miesięcznika Chłodnictwo&Klimatyzacja nr 12-2014

 

Reklama

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

  • Pompy ciepła 2018

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2018

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Pompy ciepła 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

Reklama

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.