Zagospodarowanie ciepła odpadowego na potrzeby ogrzewania w sieci ciepłowniczej z wykorzystaniem amoniakalnej pompy ciepła

Pompy ciepła jako systemy grzewcze stają się coraz bardziej popularne. Ich efektywność energetyczna warunkuje możliwości szybkiego zwrotu poniesionych kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Bez wątpienia dyskusyjna jest opłacalność stosowania pomp ciepła opartych na nowych czynnikach syntetycznych.

Amoniakalne tłokowe pompy ciepła

W przypadku pomp ciepła opartych na amoniaku takiej dyskusji się nie prowadzi, gdyż bez żadnych wątpliwości można powiedzieć, że charakteryzują się one najwyższą efektywnością energetyczną. Wynika to z własności termodynamicznych amoniaku, który zarówno w przypadku pomp ciepła, jak i instalacji chłodniczych – ma najbardziej korzystne własności termodynamiczne w obszarze przemian fazowych wrzenia (parownik) i skraplania (skraplacz). Podczas sprężania fazy gazowej amoniaku ten w sprężarce podgrzewa się powyżej temperatury skraplania, co w efekcie pozwala na dodatkowy uzysk ciepła z obszaru pary przegrzanej. W zależności od temperatury dolotowej, np. wody podgrzewanej – możliwe jest również dochłodzenie cieczy amoniaku, co poprawia efektywność energetyczną obiegu pompy ciepła.

GEA jako firma z wieloletnim doświadczeniem w branży chłodniczej może zaoferować pompy ciepła działające w oparciu o sprężarki tłokowe do mocy cieplnej 14 MW oraz śrubowe powyżej 12 MW. Sprężarki produkowane przez GEA i stosowane w pompach ciepła mogą być również wykorzystywane w układach chłodniczych wielostopniowych – zarówno w konfiguracjach szeregowych, jak i równoległych. Na rys. 1 zaprezentowana pompa ciepła opiera się na sprężarkach tłokowych, gdzie czynnikiem roboczym jest amoniak. Rodzina pomp ciepła GEA RedGenium ma kilka kluczowych komponentów, które przedstawiono na rys. 2.

Rys. 1. Amoniakalna pompa ciepła GEA RedGenium

Rys. 2. Kluczowe komponenty sprężarki tłokowej RedGenium

Pompa ciepła GEA RedGenium może być w zależności od konfiguracji wyposażona w dodatkowe elementy takie jak subcooler (dochładzacz cieczy) i desuperheater (ochładzacz pary przegrzanej), co w zależności od parametrów wody podgrzewanej umożliwia jej dodatkowe podgrzanie. Obieg amoniakalny pompy ciepła RedGenium przedstawiono na rys. 3, gdzie zaznaczono główne komponenty pompy ciepła. Na rys. 4 przedstawiono interpretację tego obiegu pompy ciepła na wykresie p-h. Na wykresie tym zaznaczono punkty charakterystyczne obiegu.

Rys. 3. Kluczowe elementy układu pompy ciepła RedGenium

Rys. 4. Ilustracja obiegu chłodniczego amoniakalnego na wykresie p-h

Układ pompy ciepła przedstawiony na rys. 3 (i jego interpretacja graficzna na rys. 4) opisany jest kluczowymi punktami, między którymi zachodzą przemiany termodynamiczne. Między punktem 1, a 2 zachodzi proces sprężania, gdzie zasysana para przez sprężarkę chłodniczą z parownika tłoczona jest do wysokiego ciśnienia, które nazywane jest ciśnieniem skraplania. Ciśnienie skraplania związane jest z temperaturą skraplania, która musi być wyższa od temperatury górnego źródła ciepła. Od punktu 2 do 3 zachodzi proces ochładzania pary przegrzanej. Między punktem 3, a 4 zachodzi proces skraplania i między punktem 4, a 5 zachodzi proces dochłodzenia cieczy skroplonej. Proces rozprężania pary przegrzanej zachodzi między punktem 5, a 6 do niskiego ciśnienia, które nazywane jest ciśnieniem parowania. Ciśnienie parowania związane jest z temperaturą odparowania, która musi być niższa niż temperatura dolnego źródła ciepła. Między punktem 6, a 1 zachodzi proces odparowania czynnika chłodniczego w parowniku. Podczas procesu odparowania odbierane jest ciepło od dolnego źródła ciepła, w efekcie czego jego temperatura ulega obniżeniu. W przypadku procesu skraplania ciepło skraplania jest oddawane górnemu źródłu ciepła, w związku z czym ulega ono podgrzaniu.

Wykorzystanie ciepła odpadowego w sieci ciepłowniczej SM „Zazamcze” we Włocławku

W poprzednim rozdziale opisano ogólne podstawy termodynamiczne działania pompy ciepła GEA RedGenium. W niniejszym rozdziale przedstawiono wstępną analizę termo-ekonomiczną inwestycji SM „Zazamcze” we Włocławku, gdzie zastosowano pompę ciepła RedGenium. W analizie wstępnej w celu doboru stosownego rozwiązania pompy ciepła uśredniono parametry ciepła dostępne na dolnym źródle pompy ciepła. Ciepło odpadowe pochodzące z instalacji amoniakalnej „RUN Chłodnia” wykorzystano jako ciepło dolnego źródła pompy ciepła GEA RedGenium. Rys. 5 przedstawia dostępność ciepła odpadowego w skali roku. Założono, że dostępne ciepło wacha się w zakresie 1 MW. W celu doboru poprawnego rozwiązania pompy ciepła wykonano obliczenia doborowe, które zestawiono w tab. 1. Uzyskano z analizy termodynamicznej teoretyczną wartość COP = 5,25. W przypadku zastosowania rozwiązania amoniakalnej pompy ciepła GEA RedGenium rzeczywiste COP mierzone na wale sprężarki wynosi COP_sp=4,92, natomiast na zaciskach elektrycznych przed falownikiem silnika sprężarki COP_line=4,52.

Tytułem komentarza – z reguły producenci pomp ciepła opartych na syntetycznych czynnikach roboczych lub CO₂ podają tylko wartość COP teoretycznego – by choć trochę być konkurencyjni w stosunku do amoniakalnych pomp ciepła.

Rys. 5. Dostępność ciepła dla dolnego źródła pompy ciepła GEA RedGenium

Na rys. 6 przedstawiono schemat włączenia pompy ciepła GEA RedGenium w sieć ciepłowniczą SM „Zazamcze” i instalację amoniakalną znajdującą się w przedsiębiorstwie „RUN Chłodnia”.

Rys. 6. Schemat podłączenia pompy ciepła RedGenium w instalację odzysku ciepła i sieć ciepłowniczą

W tab. 1 zestawiono kluczowe parametry pompy ciepła. Parametry te mogą być osiągane w pompie ciepła w stabilnych i nominalnych warunkach eksploatacji. Parametry te wyznaczono na drodze analizy teoretycznej. Pompę ciepła RedGenium dobrano na podstawie wykonanych obliczeń w dedykowanym oprogramowaniu, z którego uzyskano dla wybranego modelu wartości COP_sp=4,92, oraz COP_line=4,52.

Tab. 1. Zestawienie kluczowych parametrów pompy ciepła GEA RedGenium wyznaczonych na drodze obliczeń teoretycznych i doborów z wykorzystaniem dedykowanego oprogramowania.

W celu wykonania przybliżonej analizy opłacalności inwestycji przedstawiono poniżej w tab. 2 obliczenia ekonomiczne dla dobranej pompy ciepła GEA RedGenium oraz założonym zapotrzebowaniu na ciepło. Do obliczeń opłacalności inwestycji założono wartość COP_line=4,52. Przy założeniu, że zwrot z inwestycji ma odbyć się w okresie 5 lat, cena sprzedaży przy założeniu stopy procentowej na poziomie 10% nie może być niższa niż 68zł/GJ. Przy założeniu, że zwrot z inwestycji ma być zrealizowany w okresie 10 lat przy tej samej stopie procentowej można obniżyć cenę sprzedaży do 60zł/GJ. Analiza jest przybliżona i uwzględnia tylko koszty eksploatacji przy stałej cenie energii elektrycznej na poziomie 0,6 zł/kWh. Wartość współczynników NPV w okresie 5 lat oraz 10 lat przy podanych cenach sprzedaży ciepła jest dodatnia. Świadczy to o wysokiej opłacalności inwestycji nawet przy założonej wysokiej stopie procentowej 10% (obecnie referencyjne stopy procentowe wahają się przy wartościach 5,75%).

Tab. 2. Analiza ekonomiczna inwestycji w pompę ciepła Red Genium

Podsumowanie

W artykule dokonano analizy termodynamicznej i ekonomicznej proponowanego rozwiązania dla odzysku ciepła dla SM „Zazamcze” we Włocławku. Po wykonaniu analizy termodynamicznej i ekonomicznej wskazano optymalne rozwiązanie techniczne w postaci pompy ciepła RedGenium.

Dokonując szerszego podsumowania to inwestycje w odzysk ciepła należy prowadzić dokonując analiz termodynamicznych i ekonomicznych, co pozwoli na zwiększenie szansy na szybki zwrot finansowy. Dokonując poprawnej analizy ekonomicznej oraz termodynamicznej można zoptymalizować produkcję ciepła pod względem zarówno efektywności energetycznej, jak i ekonomicznej. W chwili obecnej rynek pomp ciepła rozwija się również w obszarze ogrzewania z wykorzystaniem sieci ciepłowniczych.

Ciepło może być pozyskiwane za pomocą pompy ciepła, bez spalania paliw kopalnych. Energia elektryczna, wykorzystywana w pompach ciepła, w dłuższej perspektywie czasowej również będzie pozyskiwana z pominięciem paliw kopalnych, które są coraz bardziej trudno dostępne. Źródła paliw kopalnych takich jak węgiel, gaz i ropa naftowa nie są źródłami odnawialnymi – dysponujemy tylko ograniczonym zasobem tych paliw. Produkcja ciepła w najbliższej perspektywie czasowej będzie zależna od energii elektrycznej. Energia elektryczna będzie ściśle związana z odnawialnymi źródłami energii oraz energią jądrową.

Pompy ciepła są przyszłością z uwagi na dłuższą perspektywę czasową, natomiast amoniakalne pompy ciepła są najlepszym wyborem z punktu widzenia analizy termodynamicznej i ekonomicznej. GEA dostarcza najlepsze rozwiązania w obszarze amoniakalnych pomp ciepła na potrzeby ogrzewania sieciowego.

Cytaty:

Dokonując poprawnej analizy ekonomicznej oraz termodynamicznej można zoptymalizować produkcję ciepła pod względem zarówno efektywności energetycznej, jak i ekonomicznej. W chwili obecnej rynek pomp ciepła rozwija się również w obszarze ogrzewania z wykorzystaniem sieci ciepłowniczych

Pompy ciepła są przyszłością z uwagi na dłuższą perspektywę czasową, natomiast amoniakalne pompy ciepła są najlepszym wyborem z punktu widzenia analizy termodynamicznej i ekonomicznej

Autor: Dr hab. inż. Robert Matysko

Źródło: GEA REFRIGERATION POLAND sp. z o.o.

Artykuł sponsorowany (artykuł z wydania 4/2024 “Nowa Energia”)