Znaczna część energii zużywanej w przemyśle przekształca się w niskotemperaturowe ciepło odpadowe, które często pozostaje niewykorzystane. W artykule przedstawiono możliwości jego zagospodarowania w strumienicowych układach chłodniczych na przykładzie technologii MARANI JET-CHILLER. Opisano budowę i zasadę działania systemu oraz wyniki wdrożenia przemysłowego, potwierdzające redukcję zużycia energii elektrycznej o ponad 40% względem standardowych układów chłodniczych.

W przemyśle znaczna część energii dostarczonej do procesu technologicznego zostaje rozproszona do otoczenia w postaci ciepła odpadowego. Wg. źródeł literaturowych jego całkowity potencjał w krajach Unii Europejskiej sięga 221 TWh rocznie (Kosmadakis 2024), natomiast w skali globalnej nawet 3100 TWh (Hajlasz i in. 2023). Źródła te dzieli się na ciepło wysokotemperaturowe (> 300°C), średniotemperaturowe (100-300°C) oraz niskotemperaturowe (<100°C), które może stanowić nawet 40% całkowitej ilości energii odpadowej w sektorze przemysłowym (Forman i in. 2016). Szczególnie dużo niskotemperaturowej energii odpadowej występuje w procesach sprężania powietrza, gdzie niemal całość dostarczonej energii elektrycznej zamieniana jest w ciepło. Biorąc pod uwagę szacunki, że produkcja sprężonego powietrza odpowiada za nawet 15% zużycia energii elektrycznej w skali światowego przemysłu (Vittorini i in. 2016), potencjał energetyczny tego zjawiska jest istotny. Jednocześnie ciepło to ma niską temperaturę (60-80°C), przez co jego użyteczne zagospodarowanie jest technicznie ograniczone. W wielu przypadkach wykorzystuje się je jedynie do ogrzewania wody lub pomieszczeń, choć istnieje możliwość jego przetworzenia na energię elektryczną lub co równie interesujące – na wydajność chłodniczą.

Dotychczas powszechnie stosowanymi technologiami chłodzenia zasilanymi ciepłem odpadowym były układy absorpcji i adsorpcji, jednak ich efektywna praca wymaga zwykle temperatur źródła powyżej 80°C (Dincer i in. 2016). Alternatywą mogą być strumienicowe układy chłodnicze, które pozwalają wykorzystać ciepło o temperaturach nawet poniżej 70°C (Chen i in. 2015).  Wśród kluczowych zalet takich systemów znajdują się wysoka niezawodność, brak elementów ruchomych i niskie koszty eksploatacji (Besagni i in. 2016).

Pomimo że technologia strumienicowych układów chłodniczych jest dobrze znana, dotychczas nie znalazła ona szerokiego zastosowania komercyjnego. Wzrost kosztów energii elektrycznej oraz coraz bardziej restrykcyjne wymagania środowiskowe sprawiają jednak, że wykorzystanie ciepła odpadowego jako źródła napędu dla takich systemów staje się coraz bardziej atrakcyjnym rozwiązaniem dla przemysłu. W oparciu o powyższe przesłanki, firma MARANI Sp. z o.o. opracowała we współpracy z Politechniką Białostocką i wdrożyła pierwsze w Polsce przemysłowe układy chłodnicze napędzane ciepłem odpadowym – MARANI JET-CHILLER. Niniejsza praca stanowi przedstawienie technologii wraz z podsumowaniem okresowej pracy układu chłodniczego w warunkach przemysłowych.

Technologia MARANI JET-CHILLER

Idea działania i budowa układu

Uproszczony schemat strumienicowego układu chłodniczego MARANI JET-CHILLER przedstawiono na rys. 1. System wykorzystuje ciepło odpadowe () do odparowania czynnika chłodniczego pod wysokim ciśnieniem w generatorze (5-1). Para o wysokim ciśnieniu pełni funkcję czynnika napędowego strumienicy naddźwiękowej. Jest to kluczowy element układu, pełniący rolę sprężarki ze standardowego systemu chłodniczego, podnosząc ciśnienie czynnika chłodniczego z parownika, w którym czynnik odparowując (6-2) odbiera ciepło z wody lodowej (), do ciśnienia nasycenia w skraplaczu, w którym ciepło jest oddawane do otoczenia w procesie skraplania czynnika chłodniczego (3-4). Obieg wymuszany jest przez pompę cyrkulacyjną, która może mieć nawet 10-krotnie mniejszy pobór mocy elektrycznej niż sprężarka występująca w standardowych układach chłodniczych.  

Rys. 1. Uproszczony schemat technologiczny strumienicowego układu chłodniczego

Układy chłodnicze MARANI oferują szereg zalet, takich jak prosta budowa, niskie koszty utrzymania, niskie zużycie energii oraz stała wydajność chłodnicza w krytycznym zakresie pracy. Co więcej, mogą one wykorzystywać ciepło odpadowe o bardzo niskim poziomie temperatury. Układy te mają również pewne wady, takie jak ograniczona elastyczność działania, aczkolwiek w przypadku wahań parametrów źródła ciepła, może to zostać zrekompensowane przez zastosowanie zespołu strumienic, buforów cieplnych, czy zabudowę kilku jednostek pracujących równolegle. Istotne wyzwanie stanowi projekt samej strumienicy, której wymiary wewnętrzne oraz jakość wykonania powierzchni wewnętrznej decydują o wydajności całego układu chłodniczego.

Wdrożenie przemysłowe

Po pozytywnych próbach przeprowadzonych w ramach projektu badawczego (Gagan i in. 2023, Mastrowski i in. 2024), układ chłodniczy o projektowej wydajności 50 kW został zmodyfikowany i wdrożony do pracy zgodnie z wymaganiami dyrektywy ciśnieniowej PED 2014/68/EU. Został on zainstalowany w fabryce łożysk, gdzie źródłem ciepła napędowego jest układ olejowy sprężarek powietrza, połączony z generatorem układu chłodniczego za pomocą wodnej pętli pośredniczącej. Układ chłodniczy pracuje w sposób bezobsługowy będąc stale zdalnie monitorowany w systemie MARANI24, gdzie następuje akwizycja danych pomiarowych. Posiada również możliwość zdalnych zmian nastaw parametrów pracy. Zainstalowany układ chłodniczy MARANI JET-CHILLER 50 HTC jest przedstawiony na rys. 2.

Rys. 2. Układ chłodniczy MARANI JET-CHILLER 50 HTC zainstalowany w fabryce łożysk tocznych.

Z uwagi na konieczność wykorzystania całości ciepła odpadowego do podgrzewu ciepłej wody użytkowej w okresach kąpieli pracowników układ pracuje w sposób zmianowy, 3 razy po 6 h przez 5 dni w tygodniu. Pracę układu w ciągu doby obrazuje wykres pobieranej mocy cieplnej odpadowej oraz uzyskiwanej wydajności chłodniczej w czasie, przedstawiony na rys. 3. Na niebiesko zaznaczono godziny pracy układu chłodniczego, w których pracuje on w sposób stabilny, zasilany strumieniem ciepła ponad 200 kW, generując w sposób ciągły ok. 70 kW wydajności chłodniczej. Przekłada się to na uzyskiwany współczynnik efektywności energetycznej COP = 0,35. Warto tutaj mieć na uwadze, że nośnik ciepła odpadowego, którym jest pętla wodna osiąga maksymalną temperaturą na poziomie 65^oC, okresami zbliżając się do 60^oC. Wykres mocy cieplnej w generatorze oraz parowniku obliczony dla strony czynnika chłodniczego ma większe wahania z uwagi na kontrolę przegrzewu czynnika chłodniczego w generatorze oraz parowniku. W okolicach godziny 18 i 23 widzimy spadki wydajności spowodowane zbliżaniem się do nastawy temperatury glikolu i automatycznym ograniczaniem przepływu czynnika przez zawór rozprężny. Na obecną chwilę, pracując od marca br. układ chłodniczy wytworzył już ok. 95 MWh wydajności chłodniczej, która służy do chłodzenia medium procesowego wykorzystywanego na potrzeby klienta.

Rys. 3. Praca układu chłodniczego w trybie zmianowym. Pobierana moc cieplna napędowa oraz uzyskiwana wydajność chłodnicza w ciągu doby

Uzyskiwane oszczędności

Zastosowanie urządzenia MARANI JET-CHILLER 50 pozwoliło na uzyskanie istotnej oszczędności energetycznej, która została oszacowana na podstawie danych zebranych przez ponad pół roku pracy. Porównanie strumienicowego układu chłodniczego z konwencjonalnym chillerem sprężarkowym o podobnej mocy wykazało redukcję zużycia energii elektrycznej ze 131 MWh/r. do 71 MWh/r. Ponadto odzysk ciepła z układu olejowego sprężarek powietrza przyczynił się do rzadszego uruchamiania się dodatkowych wentylatorów chłodnic olejowych, co przekłada się na zużycie 28 MWh/r. energii elektrycznej, w porównaniu z 58 MWh/r. bez odzysku ciepła odpadowego. Sumarycznie oznacza to oszczędność na poziomie ok. 45 000 zł rocznie, przy założeniu średniej ceny energii elektrycznej równej 500 zł/MWh.

Podsumowanie

Technologia MARANI JET-CHILLER jest przykładem efektywnego wykorzystania niskotemperaturowego ciepła odpadowego, którego potencjał w przemyśle pozostaje wciąż w dużej mierze niewykorzystany. Dzięki prostej konstrukcji, niskim kosztom eksploatacji i pełnej automatyzacji pracy – system może być atrakcyjną alternatywą dla klasycznych układów chłodniczych w zakładach przemysłowych. W porównaniu z układami absorpcyjnymi, strumienicowe chillery wymagają niższej temperatury źródła napędowego, są kompaktowe i mogą być instalowane w istniejących obiegach cieplnych bez istotnych modyfikacji. Wg. strategii firmy MARANI strumienicowe układy chłodnicze są „szyte na miarę” pod konkretne parametry źródła ciepła oraz wymagania klienta, co pozwala w pełni i efektywnie spożytkować potencjał źródeł ciepła w zakładzie przemysłowych. Systemy MARANI JET-CHILLER wpisują się w trend transformacji energetycznej przemysłu, w którym odpadowe ciepło niskiej jakości staje się źródłem realnych oszczędności i narzędziem ograniczania emisji CO.

Podziękowania

Niniejsza praca została sfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach realizacji przez MARANI Sp. z o.o. projektu nr POIR.01.01.01-00-0301/18, pod nazwą „Opracowanie dwóch prototypów układów chłodniczych wykorzystujących ciepło odpadowe o mocy cieplnej napędowej 600 kW i 200 kW dostosowanych do temperatury wody lodowej i chłodzenia wysokotemperaturowego” w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020, I Osi priorytetowej: „Wsparcie prowadzenia prac B+R przez przedsiębiorstwa”, Działania 1.1 „Projekty B+R przedsiębiorstw”, Poddziałania 1.1.1 „Badania przemysłowe i prace rozwojowe realizowane przez przedsiębiorstwa”.

Bibliografia

• G. Kosmadakis, “Industrial waste heat potential and heat exploitation solutions”, Applied Thermal Engineering, vol. 246, p. 122 957, 2024
• M. Hajlasz, S. Helmcke, F. Liebach, T. Schleyer, K. Somers, “Waste not: Unlocking the potential of waste heat recovery”, McKinsey Sustainability, 2023.
• C. Forman, I. K.Muritala, R. Pardemann, B.Meyer, “Estimating the global waste heat potential”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 57, pp. 1568-1579, 2016.
• D. Vittorini, R. Cipollone, “Energy saving potential in existing industrial compressors”, Energy, vol. 102, pp. 502–515, 2016.
• Dincer, T. A. H. Ratlamwala, “Integrated Absorption Refrigeration Systems: Comparative Energy and Exergy Analyses”, Springer International Publishing, 2016.
• J. Chen, S. Jarall, H. Havtun, B. Palm, “A review on versatile ejector applications in refrigeration systems”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 49, pp. 67-90, 2015.
• G. Besagni, R. Mereu, F. Inzoli, “Ejector refrigeration: A comprehensive review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 53, pp. 373-407, 2016.
• J. Gagan, K. Smierciew, M. Łukaszuk, D. Butrymowicz, A. Pawluczuk, M.Mastrowski, M. Bergander, A. Cebula, “Experimental assessment of the first industrial implementation of ejector refrigeration system operating with R1233zd(E) driven by ultra-low temperature heat source”, International Journal of Refrigeration, vol. 154, pp. 138–150, 2023.
• M. Mastrowski, J. Smolka, D. Butrymowicz, L. Antczak, J. Gagan, K. Smierciew, “Experimental validation of the theoretical ejector model in a low-grade waste heat refrigeration system using R1233zdE as a working fluid”, Applied Thermal Engineering, vol. 236, p. 121 716, 2024.

Źródło: Dr inż. Mikołaj Mastrowski, Kierownik B+R ds. Chłodnictwa, MARANI Sp. z o.o.

Artykuł pochodzi z wydania 5-6/2025 “Nowa Energia”