Využití odpadního tepla
V minulém století se energetika vyvíjela ve znamení kontinuálního nárůstu výkonů energetických zdrojů. V dnešní době, v souvislosti s množstvím exhalací vypouštěných do ovzduší, omezenými zásobami fosilních paliv a globální změnou klimatu, se stále častěji mluví o vyšší efektivitě využívání energetických zdrojů a hledání energetických úspor. Jedním ze způsobů realizace úsporných opatření je využívání odpadního tepla, které uvolňují stávající technologie pro výrobu elektřiny a tepla. Odpadním teplem se nazývá to teplo, které musí být z technologického procesu odvedeno jako nežádoucí. Je známo, že při výrobě elektrické energie, ale i v jiných technologických provozech, se nemalá část tepelné energie bezúčelně vypouští do atmosféry. Sekundárním využitím této energie se zvyšuje účinnost energetických procesů, zlepšuje se hospodaření s energiemi a dochází k omezení spotřeby primárních paliv.
Mezi zdroje odpadního tepla patří zejména technologické procesy, spaliny různých topných zařízení, vzduch z klimatizačních a větracích soustav, ale i další objekty, jako třeba dopravní prostředky nebo brzdné systémy strojů. Z technologických procesů jsou největšími producenty odpadního tepla ropné rafinérie, dále závody na výrobu papíru, skla a samozřejmě železa a oceli. K dalším zdrojům patří například výrobní procesy v potravinářství, klimatizace velkých datových center, nebo horké spaliny teplárenských kotlů a kogeneračních jednotek.
Existuje několik způsobů, jak energii odpadního tepla využít. Asi nejjednodušším dostupným způsobem je přímé předávání tepelné energie z jednoho média na druhé pomocí tepelného výměníku. Odpadní teplo tak může sloužit například k vytápění nebo k ohřevu teplé užitkové vody. Jediným předpokladem je dostatečný potenciál (teplota) média přenášejícího odpadní teplo. Pokud je odpadní teplo nízkopotenciální a nelze jej přímo využít ve výměníku, lze jej pomocí tepelných čerpadel převést na vyšší teplotní hladinu. Opačným případem je využití odpadního tepla absorpčním zařízením k výrobě chladu.
Jiným způsobem využití odpadního tepla je jeho přímá přeměna na elektrickou energii pomocí termočlánků neboli termoelektrických generátorů. Proces přeměny probíhá v termoelektrických polovodičových prvcích, jejichž zajímavou vlastností je generování elektrického proudu při vystavení teplotnímu gradientu. Elektrickou energii lze z odpadního tepla získat i použitím organického Rankinova cyklu a parní turbíny s generátorem.
Specifickým příkladem je využití odpadního tepla obsaženého ve spalinách plynových zdrojů pro vytápění. Kondenzací vodní páry ve spalinách lze uvolnit latentní teplo a tím zvýšit energetický zisk topného tělesa o přibližně 10 %.
Technologií umožňujících využití odpadního tepla je díky technologickému pokroku a výzkumu v této oblasti čím dál více. Dále jsou popsány základní principy nejznámějších zařízení, které se již komerčně využívají.
Principy nejznámějších zařízení
Větší množství odpadního tepla z technologických procesů lze úspěšně využít k výrobě elektřiny pomocí organického Rankinova cyklu. Technologické zapojení zařízení i princip práce vychází z dobře známého tepelného cyklu v klasických elektrárnách jen s tím rozdílem, že namísto vody se používá silikonový olej nebo jemu podobná látka s nízkou teplotou vypařování. Na skupenskou změnu pracovní látky pak dostačuje tepelný zdroj s nižší teplotou, jako je například právě odpadní teplo. Kromě něj lze samozřejmě využít solární a geotermální energii nebo teplo z chlazení.
Čerpadlem je pracovní médium, např. olej, dopravováno do výparníku, kde je ohříváno primárním zdrojem tepla a mění se na olejové páry. Ty na lopatkách oběžných kol turbíny expandují a roztáčí rotor turbíny spojený s generátorem. Z turbíny páry postupují do kondenzátoru, kde za nízkého tlaku zkondenzují na trubkách s chladicí vodou a v kapalné formě putuje olej zpět do oběhového čerpadla. Celý cyklus se neustále opakuje. Díky neustálému vývoji komponent a technologií nachází organický Rankinův cyklus stále širší uplatnění.
Speciálním typem výměníku používaného při využívání odpadního tepla jsou kondenzační tepelné trubice. Princip jejich práce spočívá ve fázové přeměně pracovní látky uvnitř uzavřené vertikální trubice. V dolní části, která se nachází v zóně odpadního tepla, dochází k předávání tepla, varu a odpařování pracovní látky. Páry stoupají vzhůru do horní části trubice, kde kondenzují a předávají kondenzační teplo například do systému vytápění. Po kondenzaci stéká pracovní látka ve formě kapaliny do spodní části trubice a celý proces se opakuje.
Tepelné trubice najdou díky jednoduché konstrukci a vysoké odolnosti uplatnění v technologických procesech s agresivnějším prostředím a tam, kde je vyžadována zvýšená spolehlivost. Výměník je totiž složen z většího množství samostatně pracujících tepelných trubic a poškození jedné trubice neohrozí práci celého výměníku. Tepelné trubice jsou prakticky bezúdržbové a pracují s dostatečně vysokou účinností.
Pokud má odpadní teplo dostatečně vysokou teplotu (kolem 80 až 120 °C), lze jej úspěšně využít k výrobě chladu pomocí absorpční jednotky. Princip práce je založen na cyklickém pohlcování par pracovní látky v koncentrovaném roztoku absorbentu a oddělování těchto složek v generátoru.
Cyklus začíná ve výparníku, kde se pracovní látka vypařuje díky latentnímu teplu přijatému přes výměník z ochlazované vody. Páry pracovní látky prostupují do absorbéru, kde jsou pohlceny koncentrovaným roztokem kapalného absorbentu (například bromidu litného). Absorbent nasycený parami pracovní látky je přečerpáván do generátoru (vypuzovače), kde se působením tepla obě látky oddělí – generují se páry pracovní látky a koncentrovaný roztok absorbentu putující do absorbéru. Zdrojem tepla pro oddělení složek může být právě odpadní teplo z technologického procesu (u absorpčních lednic je tímto zdrojem elektrická topná spirála). Po kondenzaci par pracovní látky v kondenzátoru vstupuje kapalná látka opět do výparníku a celý cyklus se opakuje.
Poměr dosaženého chladicího výkonu a tepelného příkonu potřebného k oddělení nasyceného roztoku absorbentu udává výkonové číslo charakterizující energetickou účinnost celého absorpčního chladicího systému.
Historie termoelektrické přeměny tepla v elektřinu sahá až do poloviny devatenáctého století. Pozorovaný Seebeckův jev vzniku elektrického napětí v obvodu ze dvou rozdílných materiálů, jejichž spoje se nachází v rozdílných teplotách, vedl k sestrojení prvních termoelektrických generátorů. Nízká účinnost těchto zařízení ale předurčovala jejich použití především v specifických aplikacích a zařízeních v odlehlých nebo nebezpečných místech, kde není možnost zabezpečení napájení jiným způsobem.
Vývoj nových termoelektrických materiálů s vyšší účinností především na bázi polovodičů, jednoduchost konstrukce bez kapalin a pohyblivých částí a rostoucí zájem o energetické úspory, staví dnes výrobu termolelektřiny mezi potenciálně perspektivní decentralizované zdroje dokonce ve spojení s jinak nevyužitým odpadním teplem. I když je výkon termoelektrických generátorů v řádu wattů až kilowattů, může být jejich nasazení přínosem v napájení různých autonomních technologických systémů, kde je použití chemických článků nebo jiných zdrojů elektrické energie z nějakého důvodu obtížně realizovatelné.
Polovodičové termoelektrické články se skládají z dvojice prvků z polovodičových materiálů typu P a typu N a pracují na Seebeckově termoelektrickém jevu. Přivedením tepla a vytvořením teplotního gradientu na polovodiči typu N dochází k difuzi elektronů od teplého konce k chladnějšímu a vytvoření elektrostatického potenciálu. U polovodiče typu P dochází k opačnému směru difuze elektronů a od teplého konce ke studenému se tím pádem pohybují kladně nabité díry. Směr elektronové difuze je závislý na elektrických vlastnostech daného polovodiče. Výsledkem jednostranného ohřívání termoelektrického článku je nahromadění záporně nabitých elektronů a kladně nabitých děr u chladnějších konců polovodičů a vznik napěťového potenciálu. Když se tyto konce vodivě spojí přes zátěž, prochází vedením elektrický proud.
Termoelektrický článek dává velmi malé napětí, a proto se pro praktické použití články sériově spojují do termoelektrických modulů s odpovídajícím napětím. Na horní a dolní stranu modulů se umisťují tepelné výměníky pro rovnoměrný přenos tepla k jednotlivým prvkům. Vzhledem k nízké účinnosti termoelektrických článků (u nízkoteplotních aplikací přibližně 5 až 10 %) většina tepla modulem prochází a dá se ještě sekundárně využít například k předehřevu pracovní látky.
Termoelektrické generátory pravděpodobně nikdy nebudou tvořit výkonové zdroje elektrické energie, mohou ovšem zlepšit hospodaření s energiemi a přispět k úsporám primárních paliv při optimalizaci technologických provozů, případně zařízení běžného provozu. Zajímavým a možná perspektivním příkladem je využití tepelné energie výfukových plynů a odpadního tepla chladicí soustavy automobilů. Automobilové termoelektrické generátory mohou již dnes generovat stovky wattů a v budoucnu by mohly zcela nahradit alternátory.
