Ogrzewanie energią odpadową – nowatorskie podejście do ciepła
Polityka energetyczna Unii Europejskiej skupia się głównie na 3 obszarach - energetyce odnawialnej, redukcji emisji szkodliwych zanieczyszczeń, w szczególności CO2 oraz zwiększeniu efektywności energetycznej. Realizacja tego ostatniego celu pozwoli zapewnić bezpieczeństwo energetyczne krajom członkowskim, takim jak m.in. Polska.
Zgodnie z dyrektywą UE, do końca 2027 r. przez efektywny energetycznie system ciepłowniczy lub chłodniczy rozumie się taki system, w którym wykorzystuje się co najmniej w 50 % energię ze źródeł odnawialnych (OZE) lub co najmniej w 50 % ciepło odpadowe lub w co najmniej w 75 % ciepło pochodzące z kogeneracji lub w 50 % połączenie takiej energii i ciepła. W artykule przyjrzymy się bliżej wykorzystaniu właśnie ciepła odpadowego do ogrzewania domów.
Czym jest ciepło odpadowe i recykling ciepła?
Ciepło odpadowe to ciepło, które jest wytwarzane przez maszynę lub proces wykorzystujący energię, jako produkt uboczny. Jego wydzielanie się wynika z praw termodynamiki. Pojęcie ciepła i chłodu odpadowego wprowadzono w Polsce w ustawie z sierpnia 2023: „ciepło odpadowe i chłód odpadowy oznacza niemożliwe do uniknięcia ciepło lub chłód, które są wytwarzane, jako produkt uboczny w instalacjach przemysłowych lub instalacjach wytwórczych energii lub w sektorze usług i które bez dostępu do systemu ciepłowniczego lub chłodniczego pozostałyby niewykorzystane, rozpraszając się w powietrzu lub w wodzie, w przypadku gdy jest lub będzie wykorzystywany proces kogeneracji lub gdy kogeneracja nie jest możliwa”. Ciepło odpadowe wydziela się przy wielu procesach, które zachodzą w różnych urządzeniach, zarówno domowych, jak i przemysłowych. Doskonałym przykładem mogą być samochody. Sprawność współczesnych silników benzynowych to według różnych źródeł około 40%, co oznacza, że większość energii z paliwa zamienia się w ciepło. Jego wykorzystanie jest doskonale znane – do ogrzewania kabin pojazdów zima czy podczas chłodów. W domu ciepło odpadowe wydziela się w urządzeniach chłodniczych, klimatyzatorach, komputerach czy źródłach światła. W przemyśle źródłem wysokotemperaturowego ciepła odpadowego są huty, zakłady produkcyjne czy piekarnie, natomiast niskotemperaturowego sprężarki zasilające instalacje pneumatyczne. Podobnie jest w przypadku serwerowni oraz centrów danych. Wielkie ilości energii cieplnej odprowadzane są się także z lodówek i zamrażarek w supermarketach. Szacuje się, że aż 70% powstałego ciepła nie jest w żaden sposób dalej pożytkowane, dlatego specjaliści uważają, że to największe na świecie niewykorzystane źródło energii. Pod względem wykorzystywania ciepła odpadowego porównywalne jest do odnawialnych źródeł energii. Stosowane jest także pojęcie recykling ciepła, oznaczające ponowne jego wykorzystanie, podobnie jak recykling materiałów.Obecnie, gdy ceny energii rosną, ciepło odpadowe jako źródło ogrzewania, nabiera szczególnego znaczenia w ciepłownictwie. Jego wykorzystywanie, podobnie jak ograniczanie zużycia ciepła dla celów ogrzewania za pomocą termoizolacji budynków, pomaga w obniżeniu kosztów eksploatacji zarówno domów prywatnych, jak i użyteczności publicznej czy fabryk. Jednocześnie można powiedzieć, że należy ono do ekologicznych źródeł energii, gdyż nie powoduje emisji CO2 oraz innych zanieczyszczeń.
Najbardziej znane i rozpowszechnione metody odzysku energii cieplnej i jej wykorzystania.
Przykładami wykorzystania ciepła odpadowego do ogrzewania budynków są:
Odzysk ciepła ze sprężarek powietrza. Instalacje pneumatyczne pracują zarówno w wielu zakładach przemysłowych, jak i warsztatach, np. samochodowych. Jednak zaledwie od 5 do 15% energii elektrycznej pobieranej przez kompresory w celu sprężania powietrza zamienia się w pracę użyteczną. Reszta wydziela się w postaci ciepła odpadowego, które można wykorzystać do ogrzewania pomieszczeń oraz ogrzewania wody na potrzeby fabryki, ale nie tylko. W Polsce takie rozwiązanie zastosowano w odlewni zakładów Volkswagen w Poznaniu, produkującej komponenty do aluminiowe do samochodów. Ciepło odpadowe ze sprężarek, za pośrednictwem miejskiej sieci ciepłowniczej, dociera do kilkudziesięciu budynków mieszkalnych oraz szpitala.
Wykorzystywanie ciepła odprowadzanego przez duże systemy chłodnicze. Instalacje chłodnicze wykorzystywane są zarówno w wielu gałęziach przemysłu, miedzy innymi: metalurgicznym i spożywczym, jak i w magazynach oraz supermarketach. Wydzielanie się ciepła odpadowego wynika z zasady działania instalacji chłodniczych i klimatyzacyjnych, składających się z takich głównych elementów, jak sprężarka (kompresor), skraplacz (chłodnica) oraz parownik. W systemach tych płynie czynnik chłodniczy, który odbiera ciepło z wnętrza lodówek, zamrażarek czy klimatyzowanych pomieszczeń i przenosi je na zewnątrz. Dawniej to ciepło odpadowe odprowadzano do atmosfery, jednak obecnie wykorzystuje się je w procesach technologicznych, instalacjach centralnego ogrzewania czy do ogrzania wody użytkowej. Moc odzysku ciepła w zakładzie przemysłowym może wynosić nawet 100 kW, dzięki czemu można zaoszczędzić nawet do 255 000 kWh energii elektrycznej lub prawie 30 000 m³ gazu ziemnego rocznie.
Rekuperacja. To znany i stosowany od pewnego czasu w domach jednorodzinnych system odzyskiwania ciepła z wentylacji mechanicznej. W budynkach z tradycyjną wentylacją grawitacyjną (naturalną) nawet około 40% energii cieplnej jest wywiewane na zewnątrz i bezpowrotnie ulatuje do atmosfery. Natomiast wentylacja mechaniczna z rekuperacją, dzięki odzyskiwaniu ciepła z pomieszczeń, pozwala zaoszczędzić nawet do 38% kosztów ogrzewania domu.
Odzysk ciepła odpadowego z serwerowni i centrów danych. Postępująca cyfryzacja naszego życia powoduje konieczność przetwarzania coraz większej ilości danych. Z jednej strony elektrownie, gazownie czy zakłady wodno-kanalizacyjne, z drugiej zaś banki, handel elektroniczny, czy portale społecznościowe i filmy w Internecie: wszystko to opiera sie obecnie na informatyce, co wymaga potężnych komputerów, serwerowni oraz centrów danych. Te rozbudowane urządzenia informatyczne zużywają gigantyczne ilości energii elektrycznej wydzielając przy tym wielkie ilości ciepła odpadowego, które musi być odprowadzane, aby zapewnić procesorom oraz innym podzespołom odpowiednią temperaturę pracy i zapobiec uszkodzeniom. Centra danych na świecie zużywają ogromne ilości energii elektrycznej, np. w 2022 r. było to nawet 340 TWh, co stanowiło około 1,3% globalnego zapotrzebowania na energię w tym roku. Przykłady wykorzystywania ciepła odpadowego z centrów danych, będących własnością światowych gigantów informatycznych, do ogrzewania domów mieszkalnych na świecie to: miejska sieć ciepłownicza w Dublinie (Amazon) czy ogrzewanie niemal 7000 domów Danii (Facebook). Firma Apple planuje rozbudowę swojego centrum danych w Danii i wykorzystać generowane tam ciepło do ogrzewania domów w pobliskim mieście Viborg. Natomiast w Sztokholmie planuje się wykorzystywanie ciepła odpadowego z centrów danych w takim stopniu, że pokryją 10% zapotrzebowania miasta na ciepło do roku 2035.
Ciepło odpadowe z kanalizacji domów. W każdym domu czy mieszkaniu ciepła woda, zarówno z łazienki po kąpieli, jak i z kuchni po zmywaniu naczyń, spływa do kanalizacji, jako tzw. woda szara. Zwykle jest marnowana, a przecież zawiera ona mnóstwo cennej energii. Zimą średnia temperatura tych ścieków wynosi od 12 do 15°C, latem zaś wzrasta do 17-20 °C. Czyni to z nich dobre źródło ciepła odpadowego, które może być wykorzystywane przez cały rok do ogrzewania budynków. Przykładem może być tu osiedle mieszkaniowe w Bambergu (Niemcy). W kanale ściekowym ułożono tam wymienniki ciepła w postaci mat, wykonanych z rurek ze stali nierdzewnej. Płynie przez nie mieszanina świeżej wody i solanki, która może absorbować ciepło ze ścieków. Energia ta jest następnie wykorzystywana przez pompy ciepła obsługujące mieszkania. Są one zasilane z paneli fotowoltaicznych zainstalowanych na dachach. Pompy zwiększają temperaturę wody do 30°C dla celów ogrzewania podłogowego oraz 60°C dla łazienek i kuchni. Według obliczeń, w Bambergu wykorzystuje się w ten sposób około 2300 MWh ciepła rocznie, oszczędzając równowartość 230 000 l oleju opałowego. To więcej niż wystarczyłoby do zaopatrzenia przeciętnego domu jednorodzinnego w Niemczech w ciepło i ciepłą wodę przez ponad 100 lat. Inną metodą jest zastosowanie tzw. rekuperatora (do) wody, sprzedawanych również w Polsce. To urządzenie przeznaczone do montażu w łazience, zaraz za odpływem od prysznica, wanny czy brodzika. Rekuperator posiada spiralny wymiennik ciepła, który odzyskuje energię ze zużytej ciepłej wody i wykorzystuje do podgrzania świeżej wody, doprowadzonej do ogrzewacza lub prysznica. Według danych niektórych producentów tego typu urządzeń, przy temperaturze zimnej wody z sieci na poziomie 10°C oraz komfortowe temperaturze wody prysznicowej 38 - 40°C, podgrzanie przez rekuperator wody sieciowej do temperatury 25°C może zmniejszyć zużycie energii podczas brania prysznica nawet o 40%.
Ciepło odpadowe z wód kopalnianych. Od 2015 r działa system odzysku ciepła z wód dołowych w kopalni “Sobieski” w Jaworznie. Jego serce stanowi 5 wysokotemperaturowych pomp ciepła typu woda-woda, które wykorzystują ciepło generowane w procesie wydobycia węgla i nagromadzone w podziemnych wodach kopalnianych do podgrzewania wody w zbiornikach o pojemności całkowitej 63 m3. Roczne oszczędności energii, uzyskane dzięki temu systemowi, to ponad 9 GJ. Natomiast w należącej do PGE kopalni Mysłowice – Wesoła zostanie do końca III kwartału 2026 r. zainstalowana pompa ciepła o mocy 2MW, które pozwoli wykorzystać ciepło geotermalne z wody dołowej o temperaturze około 25°C, wypompowywanej z poziomu 655 m pod powierzchnią ziemi, dla celów lokalnych systemów grzewczych. Pozwoli to na zaoszczędzenie ponad 5000 MWh energii cieplej rocznie, co oznacza zmniejszenie emisji dwutlenku węgla o ponad 1300 ton.
Innowacyjne rozwiązania wykorzystania ciepła odpadowego
Oprócz opisanych wyżej, w różnych krajach na świecie opracowywane są także inne metody ogrzewania za pomocą ciepła odpadowego. Oto przykłady:
Ciepło z metra w Warszawie. Pomysł odzysku ciepła z infrastruktury metra pojawił się w Konkursie Innowacyjności w 2021 roku. Wzrost temperatury w tunelach oraz na stacjach metra powodowany jest ciepłem wydzielającym się na skutek tarcia kół pociągów metra oraz pracy elektrycznych silników napędowych. W pewnym stopniu przyczyniają się do tego także pasażerowie. Po kilku latach analiz do pilotażowego wdrożenia pomysłu wytypowano stację Bemowo. W 2025 roku zostaną tam zainstalowane pompy ciepła, które będą przenosić energię odpadową do miejskiej sieci ciepłowniczej, co ma pozwolić na zasilanie w ciepło i ciepłą wodę ponad 14000 mieszkań. Jednocześnie spowoduje to obniżenie temperatury na peronach o 4°C. Podobne rozwiązanie zastosowano już w metrze w Londynie.
Parkingi podziemne, jako źródło ciepła. Naukowcy z niemieckiego Uniwersytetu MLU ustalili, że ciepło generowane przez samochody na miejskich parkingach podziemnych podgrzewa wody gruntowe. Jednak ten wzrost temperatury może zmienić równowagę gatunków żyjących tam mikroorganizmów. Oznacza to miedzy innymi obniżenie jakości wód gruntowych, z których czerpiemy większość naszej wody pitnej. Naukowcy opracowali jednak możliwe do realizacji rozwiązanie. Ogrzane wody gruntowe mogłyby być pompowane na powierzchnię, jako geotermalne źródło ciepła i w połączeniu z pompami ciepła, wykorzystywane do dostarczania energii cieplnej dla potrzeb domów. Po schłodzeniu, woda wracałaby z powrotem pod ziemię, co byłoby korzystne dla jakości wody i środowiska naturalnego. Obliczono, że w Berlinie parkingi podziemne dostarczają do wód gruntowych energię cieplną, wystarczającą do ogrzania 14 500 gospodarstw domowych.
Transport ciepła samochodem. Wykorzystanie ciepła odpadowego do ogrzewania domów i podgrzania wody użytkowej ma sens głównie na obszarach gęsto zaludnionych i tam, gdzie źródło tego ciepła odpadowego nie znajduje się zbyt daleko od użytkowników. Na obszarach wiejskich taka sytuacja należy do rzadkości. Dlatego też pewna firma z Bawarii od 2019 r. transportuje ciepło odpadowe, pochodzące z biogazowni lub spalarni śmieci, drogą lądową do pływalni, znajdującej się w odległości 10 km. Na ciężarówce zainstalowano zbiornik o pojemności 7 m3, wypełniony roztworem specjalnej soli. Płyn ten jest najpierw ogrzewany, czyli „ładowany” ciepłem odpadowym. Podobnie jak w przypadku ogrzewaczy do rąk wielokrotnego użytku, roztwór ten powoli zamienia się w ciało stałe (krystalizuje) w miejscu docelowym, uwalniając zmagazynowane ciepło. Jest ono wykorzystane za pomocą wymiennika ciepła do ogrzania wody dala potrzeb basenu. Pozwoliło to niemal całkowicie zrezygnować z ogrzewania gazowego, czego wynikiem było zmniejszenie emisji CO2 o ok. 300 ton rocznie. Na świecie te „kontenery ciepła” na kołach są wykorzystywane do ogrzewania ciepłem odpadowym, z biogazowni czy spalarni odpadów, nie tylko basenów, ale i osiedli mieszkaniowych oraz takich obiektów, jak np. szkoły.
Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki
Opracowanie redakcja : (T.H.)
Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.ogrzewnictwo.pl
