Odzysk ciepła stanowi jedno z ciekawszych rozwiązań wspierających poprawę efektywności energetycznej w przemyśle. Polega na zagospodarowaniu energii cieplnej, która w normalnych warunkach zostałaby utracona do otoczenia. W efekcie przedsiębiorstwa mogą ograniczyć zużycie energii, obniżyć koszty działalności oraz zmniejszyć ślad węglowy. W niniejszym artykule przedstawiamy najważniejsze źródła ciepła odpadowego, możliwości jego wykorzystania oraz przykłady wdrożeń zrealizowanych u naszych Klientów.

Na czym polega odzysk ciepła?

Odzysk ciepła to proces techniczny umożliwiający ponowne wykorzystanie energii termicznej powstającej podczas pracy urządzeń lub realizacji procesów technologicznych. W wielu zakładach przemysłowych znaczne ilości ciepła są oddawane do otoczenia przez sprężarki, silniki, pompy, piece przemysłowe, turbiny, zgrzewarki czy urządzenia sterylizacyjne. Dzięki zastosowaniu odpowiednich systemów energia ta może zostać przechwycona i wykorzystana ponownie.

Pozyskane ciepło znajduje zastosowanie między innymi w instalacjach centralnego ogrzewania, systemach przygotowania ciepłej wody użytkowej, układach wentylacyjnych oraz procesach technologicznych wymagających dostarczania energii cieplnej.

Źródła ciepła możliwe do odzyskania

Energia cieplna przeznaczona do odzysku może pochodzić z wielu obszarów funkcjonowania zakładu przemysłowego. Najczęściej są to:

• ciepło odpadowe z procesów technologicznych – energia niewykorzystana po zakończeniu podstawowego procesu produkcyjnego, która jest następnie odprowadzana do otoczenia. Dotyczy to m.in. pieców przemysłowych, kotłów, pieców piekarniczych, pasteryzatorów czy sterylizatorów;
• ciepło usuwane przez systemy wentylacyjne – energia zawarta w powietrzu wywiewanym z budynków lub hal produkcyjnych, którą można ponownie wykorzystać do ogrzewania lub chłodzenia obiektów;
• ciepło pochodzące z chłodzonych urządzeń – energia generowana przez maszyny wymagające ciągłego odprowadzania ciepła w celu zachowania prawidłowych parametrów pracy, takie jak sprężarki, napędy elektryczne, wtryskarki czy instalacje wykorzystujące reakcje egzotermiczne.

Sprawdź infografikę DB Energy przedstawiającą w zasadę działania systemów odzysku ciepła.

Zastosowanie odzysku ciepła w zależności od temperatury

Możliwość zastosowania odzysku ciepła, a w szczególności opłacalność takiej inwestycji, zależy od temperatury traconego ciepła i rodzaju dostępnych technologii:

• Powyżej 500°C – wysoka temperatura umożliwia najlepszy efekt - przykładowo takie wysokotemperaturowe spaliny powstają np. w hutach, cementowniach i elektrociepłowniach. Ciepło może być wykorzystane do produkcji pary technologicznej lub konwersji na energię elektryczną w układach ORC,
• 200–500°C – w tym zakresie pracują kotły przemysłowe, piece metalurgiczne i instalacje chemiczne. Można tu zastosować na przykład ekonomizery i rekuperatory do podgrzewania wody procesowej lub powietrza spalania,
• 100–200°C – tutaj sprawdzą się kondensacyjne wymienniki ciepła, które pozwalają na odzysk energii np. z gazów wylotowych w przemyśle spożywczym, papierniczym i HVAC,
• Poniżej 100°C – odzysk ciepła staje się mniej opłacalny, ale w niektórych przypadkach można wykorzystać odpadowe ciepło do wstępnego podgrzewania powietrza, systemów wentylacyjnych lub daje możliwość zastosowania wysokotemperaturowej pompy ciepła.

Korzyści i ograniczenia związane z odzyskiem ciepła

Wykorzystanie ciepła odpadowego przynosi przedsiębiorstwom szereg wymiernych korzyści. Najważniejszą z nich jest ograniczenie zużycia energii kupowanej z zewnętrznych źródeł, co bezpośrednio przekłada się na niższe koszty eksploatacyjne. Dodatkowo odzysk energii wspiera redukcję emisji dwutlenku węgla poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na paliwa kopalne.

Wdrożenie rozwiązań z zakresu odzysku ciepła pozwala również zwiększyć efektywność energetyczną przedsiębiorstwa, co może stanowić podstawę do ubiegania się o świadectwa efektywności energetycznej (tzw. białe certyfikaty) oraz inne mechanizmy wsparcia finansowego. Istotną zaletą jest także poprawa bezpieczeństwa energetycznego zakładu dzięki częściowemu uniezależnieniu od dostaw energii zewnętrznej.

Jednocześnie należy uwzględnić pewne ograniczenia związane z realizacją tego typu inwestycji. Największą barierą są zazwyczaj nakłady inwestycyjne, szczególnie w przypadku rozbudowanych instalacji wymagających zastosowania zaawansowanych technologii. Wyzwanie stanowi również integracja nowych układów z istniejącą infrastrukturą produkcyjną, która często wymaga szczegółowych analiz technicznych oraz indywidualnie projektowanych rozwiązań.

Dodatkowo nie każde źródło ciepła odpadowego charakteryzuje się parametrami umożliwiającymi jego efektywne wykorzystanie. Niska temperatura medium lub znaczne rozproszenie energii mogą ograniczać opłacalność wdrożenia technologii odzysku w określonych przypadkach.

W jakich branżach odzysk ciepła daje największe efekty?

Największy potencjał wykorzystania odzysku ciepła występuje w przedsiębiorstwach charakteryzujących się wysokim zużyciem energii cieplnej. Dotyczy to przede wszystkim zakładów działających w sektorze chemicznym, spożywczym, hutniczym oraz papierniczym.

W branży spożywczej energia pochodząca z pieców, suszarni czy urządzeń do obróbki termicznej może zostać wykorzystana do podgrzewania wody lub ogrzewania budynków. W zakładach metalurgicznych odzyskowi podlega ciepło emitowane przez piece hutnicze, które następnie może zostać wykorzystane w kolejnych etapach produkcji. Podobne rozwiązania znajdują zastosowanie w papierniach, gdzie źródłem energii odpadowej są między innymi suszarnie papieru.

Studium przypadku DB Energy – odzysk ciepła w zakładzie automotive

Koszt: ok. 6,7 mln zł

Oszczędności: ok. 3,4 mln zł

Okres zwrotu: ok. 2 lata

Redukcja emisji: ok. 2 300 ton CO₂ rocznie

Ilość zaoszczędzonej energii: ok. 7 600 MWh rocznie

W firmie z branży motoryzacyjnej, zajmującej się produkcją komponentów do samochodów osobowych, przeprowadziliśmy audyt energetyczny, w trakcie którego zidentyfikowaliśmy 19 działań mogących w sposób opłacalny poprawić efektywność energetyczną zakładu. Jednym z analizowanych rozwiązań było wykorzystanie ciepła odpadowego z procesu chłodzenia żeliwnych elementów po odlaniu, które wymagają obniżenia temperatury do poziomu otoczenia.

Dotychczas odlewy chłodzone były samoczynnie. Aby ocenić potencjał marnowanego ciepła, nasi inżynierowie przeprowadzili test, który pokazał, że 1 stojak z odlewami jest w stanie zagotować 1 m³ wody w ciągu 40 minut! Wykorzystując to ciepło do zasilania chłodniczego agregatu absorpcyjnego, produkcja wody lodowej wykorzystywanej w procesie technologicznym jest bardziej efektywna i zużywa mniej energii elektrycznej.

Roczna oszczędność energii termicznej wynosi ponad 7 600 MWh, co odpowiada rocznemu zużyciu energii przez ponad 4 200 polskich gospodarstw domowych. Dotychczas wytwarzanie chłodu odbywało się przy użyciu energii elektrycznej, a dzięki tej inwestycji energia ta nie będzie już pobierana z Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. To oznacza, że nie będzie konieczności jej produkcji, co w rezultacie eliminuje gazy cieplarniane wyemitowane przez elektrownie węglowe w procesie wytwarzania energii elektrycznej - redukcja dwutlenku węgla wynosi w tym przypadku około 2300 ton CO² rocznie.

Podsumowanie

Odzysk ciepła z procesów przemysłowych należy do najbardziej efektywnych sposobów ograniczania zużycia energii i kosztów działalności przedsiębiorstw. Wykorzystanie technologii umożliwiających przechwytywanie i ponowne zagospodarowanie energii odpadowej pozwala zwiększyć sprawność procesów produkcyjnych, ograniczyć emisję gazów cieplarnianych oraz poprawić bezpieczeństwo energetyczne zakładu.

Choć realizacja takich inwestycji wymaga poniesienia określonych nakładów finansowych oraz odpowiedniego przygotowania technicznego, osiągane korzyści często uzasadniają ich wdrożenie. W wielu przypadkach odzysk ciepła stanowi jeden z najbardziej opłacalnych kierunków poprawy efektywności energetycznej i budowania przewagi konkurencyjnej przedsiębiorstwa przy jednoczesnym ograniczaniu wpływu na środowisko.