Innowacyjna pompa ciepła może zrewolucjonizować ochronę środowiska w przemyśle

Published on : 6 września 20216 września 2021 Published by : Krzysztof Wołowiec

Przemysłowe procesy grzewcze są nadal oparte na paliwach kopalnych i mają znaczący udział w emisji gazów cieplarnianych. Dzięki wykorzystaniu przemysłowego ciepła odpadowego i podgrzewaniu go do temperatury sięgającej 150 °C innowacyjne rozwiązanie opracowane w ramach projektu Rotation Heat Pump oferuje bardziej ekologiczne podejście.

Unia Europejska dąży do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych o ponad 40 % do roku 2030, a cel ten jest obecnie zwiększany do 55 %. W przetwórstwie przemysłowym ciepło odpowiada za 74 % całego zużycia energii, dlatego dekarbonizacja tych procesów ma zasadnicze znaczenie dla przeciwdziałania zmianie klimatu. Panuje powszechna zgoda co do tego, że kluczowym rozwiązaniem w tej dziedzinie będą pompy ciepła, w przypadku temperatur do 150 °C. Pompy ciepła mają w tym zakresie temperatur szereg zalet w porównaniu z innymi technologiami odnawialnymi, takich jak możliwość wykorzystania ich zarówno latem, jak i zimą, niższy koszt za kWh oraz wysoka sprawność. Jak dotąd nie powstały jednak rozwiązania nadające się do wprowadzenia na rynek. Po potwierdzeniu zdolności pomp ciepła do osiągania temperatur do 150 °C zespół wspieranego przez UE projektu Rotation Heat Pump opracował dwa prototypy i instalację pilotażową z udziałem firmy Bioenergie Bucklige Welt (strona w języku niemieckim). Zespół określił także parametry niezbędne do projektowania i produkcji seryjnej. „W przypadku procesów przemysłowych, takich jak destylacja, pasteryzacja, mycie i gotowanie, nasza technologia może wypełnić lukę na rynku, oferując sprawność w zakresie temperatur 100–150 °C przewyższającą inne rozwiązania odnawialne nawet o 70 %”, wyjaśnia Bernhard Adler, dyrektor zarządzający firmy ecop, gospodarza projektu i laureata Europejskiej Nagrody dla Przedsiębiorstw Dbających o Środowisko w 2018 roku. Zespół Rotation Heat Pump rozwinął wcześniejsze prace przeprowadzone przez ecop w zakresie pomp ciepła, które zaowocowały stworzeniem pierwszego modelu i uzyskaniem 68 ogólnoświatowych patentów.

Rozwój i optymalizacja

Pompy ciepła wykorzystują zewnętrzne źródło energii do przenoszenia energii cieplnej z obszaru cieplejszego do chłodniejszego w celu ogrzewania – lub odwrotnie w celu chłodzenia. Źródło ciepła pochodzi zazwyczaj z powietrza, ziemi, wody lub powietrza wylotowego. Pompy ciepła znajdują zastosowanie w takich branżach jak przemysł spożywczy, drzewny i papierniczy oraz chemiczny, gdzie mogą być wykorzystywane procesach takich jak suszenie i odwadnianie, odparowywanie, mycie i czyszczenie, sterylizacja czy pasteryzacja. Innowacyjność rozwiązania Rotation Heat Pump polega na opracowaniu jednofazowego obiegu termodynamicznego zamiast termodynamicznego procesu sprężania dwufazowego stosowanego w konwencjonalnych pompach ciepła. Po raz pierwszy umożliwia to zastosowanie pomp ciepła w przemyśle na dużą skalę, ponieważ konwencjonalne pompy nie są przystosowane do wysokich temperatur i zmiennych warunków panujących w zakładach przemysłowych. Ponadto istniejące rozwiązania zazwyczaj wykorzystują w procesie wymiany ciepła czynniki chłodnicze, które są szkodliwe dla środowiska, natomiast w rozwiązaniu Rotation Heat Pump stosuje się powszechnie dostępny, niedrogi, bezpieczny gaz obojętny składający się z helu, argonu i kryptonu. Zespół Rotation Heat Pump zbudował dwa prototypy. Pierwszy z nich został opracowany dla elektrociepłowni pod Wiedniem, w której pompa ciepła wykorzystuje ciepło odpadowe z turbiny parowej elektrowni do bezpośredniego użycia w sieci ciepłowniczej. Drugi prototyp został opracowany do testów wewnętrznych i jako instalacja pokazowa.

Przezwyciężenie ograniczeń tradycyjnych pomp ciepła

Przeprowadzono szereg testów, które wykazały stabilną pracę układu, wysokie temperatury do 120 °C oraz skok temperatury (różnicę między źródłem ciepła a wytworzoną temperaturą) wynoszący 35 Kelwinów. Do końca roku planowane jest zwiększenie tej wartości do 50 Kelwinów. Dodatkowo udało się osiągnąć współczynnik efektywności (COP) o wartości wynoszącej pięć, co oznacza, że system może wytworzyć do pięciu razy więcej energii cieplnej niż energii elektrycznej potrzebnej do jej wytworzenia. „Testy potwierdziły, że nasze symulacje były dokładne przy COP praktycznie nieosiągalnych w przypadku standardowych pomp ciepła”, mówi Adler. Zespół opracowuje obecnie projekty demonstracyjne, przede wszystkim w celu zintegrowania i dostosowania swojego systemu do procesu ogrzewania przemysłowego.

Źródło: cordis.europa.eu