Jak obserwuje kierownik projektu COOLERHEAT realizowanego w ramach programu Lider NCBR, coraz wyższe temperatury powodują wzrost zapotrzebowania na chłód również w przemyśle, który równocześnie emituje do otoczenia ogromne ilości ciepła odpadowego. Paradoksalnie przyczynia się to do dalszego wzrostu emisji gazów cieplarnianych i pogłębiania problemu ocieplenia klimatu.

Ciepło odpadowe to niewykorzystana energia oddawana do otoczenia. Naukowcy rozróżniają trzy główne poziomy ciepła odpadowego: niskotemperaturowe (poniżej 100 stopni Celsjusza), średniotemperaturowe i wysokotemperaturowe (od 300 stopni Celsjusza). W przemyśle aż 42 proc. globalnego udziału przypada na niskotemperaturowe, 20 proc. średniotemperaturowe i 38 proc. wysokotemperaturowe ciepło odpadowe.

CIEPŁO ODPADOWE DAJE NOWE MOŻLIWOŚCI

„Istniejące technologie pozwalają na wykorzystanie ciepła odpadowego do produkcji energii elektrycznej, chłodu i ciepła, lecz często są ograniczone przez wysokie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, niską sprawność oraz ograniczoną funkcjonalność, szczególnie przy źródłach ciepła poniżej 80 stopni Celsjusza. COOLERHEAT umożliwia pracę w niskich temperaturach z zadowalającą sprawnością, przy czym jest to układ korzystny finansowo” – zapewnia PAP dr inż. Łukasz Witanowski.

Opracowany przez niego system COOLERHEAT składa się z układu ORC (Organiczny Obieg Rankine’a połączonego z układem VCC (Sprężarkowy Obieg Chłodniczy) za pomocą turbosprężarki. System wykorzystuje ciepło odpadowe do wygenerowania mocy mechanicznej w turbinie, która napędza sprężarkę układu chłodniczego.

fot. Coolerheat/Łukasz Witanowski

„Proponowane rozwiązanie otwiera nowe perspektywy dla efektywnego wykorzystania ciepła odpadowego, umożliwiając bardziej zrównoważone podejście do zarządzania zasobami energetycznymi w różnych sektorach przemysłu” – uważa lider zespołu pracującego nad prototypem.

CIEPŁOWNIE OCHŁODZĄ NAS LATEM

Systemu COOLERHEAT można będzie dostosować do różnych potrzeb firmy wdrażającej to rozwiązanie. „Kluczowy komponent systemu, specjalna turbosprężarka, może być projektowana z myślą o szerokim zakresie zastosowań - od potężnych znacznych mocy przemysłowych aż po rozwiązania dedykowane mniejszym podmiotom. Ta elastyczność otwiera drzwi do innowacyjnych zastosowań, takich jak wykorzystanie sieci ciepłowniczych w okresie letnim” – podaje przykład dr inż. Witanowski.

Jak wyjaśnia, sieci, które latem pracują na znacznie zmniejszonym poziomie swojej przepustowości, będą mogły efektywnie generować chłód do systemów klimatyzacji wykorzystując ciepło sieciowe. Według naukowca opłaci się to użytkownikom końcowym i jednocześnie operatorom sieci.

„Wprowadzamy na rynek technologię, która jest nie tylko zgodna z trendami ekologicznymi i energetyczną efektywnością, ale również stanowi realne korzyści finansowe dla szerokiego spektrum użytkowników. Entuzjazm wobec takich rozwiązań technologicznych jest w pełni uzasadniony, gdyż łączą one w sobie innowacyjność z praktycznym zastosowaniem, otwierając nowe możliwości dla zrównoważonego rozwoju” – mówi lider projektu COOLERHEAT.

Zgodnie z szacunkami naukowca, wykorzystanie ciepła odpadowego, które do tej pory było traktowane jako stracona energia, pozwoli firmom przekształcić stratę w zysk. Przedsiębiorstwa zwiększą efektywność energetyczną i zredukują swój ślad węglowy. Dla środowiska oznacza to zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych i mniej energii zużywanej na chłodzenie.

EKSPERYMENTY POTRWAJĄ 3 LATA

Jak wylicza naukowiec, aby system mógł zostać wdrożony w praktyce, projekt musi osiągnąć swoje „kamienie milowe”. Pierwszym z nich jest optymalnie zaprojektowanie układu pod kątem pracy w różnych warunkach operacyjnych. Kolejnym wyzwaniem będzie opracowanie konstrukcji turbosprężarki, cechującej się wysoką niezawodnością pracy, regulacyjnością i kompaktowością. Po skonstruowaniu prototypowej maszyny naukowcy przeprowadzą badania eksperymentalne, mające na celu zapewnienie niezawodności i bezpieczeństwa systemu.

„Projekt COOLERHEAT musi przejść rygorystyczne testy w szerokim zakresie pracy, które potwierdzą, że spełnia on wysokie standardy przemysłowe i jest w stanie sprostać różnym warunkom operacyjnym” – podsumowuje lider grupy naukowej. Sukces projektu ma zapewnić multidyscyplinarny dziewięcioosobowy zespół specjalizujący się w obliczeniach termodynamicznych obiegów cieplnych, projektowaniu maszyn cieplnych, obliczeniach dynamicznych układów wirujących, obliczeniach wytrzymałościowych, uczeniu maszynowym, optymalizacji procesów cieplnych, wydruku 3D, automatyzacji oraz pomiarach cieplnych.

„Członkowie zespołu brali udział w wielu projektach związanych z maszynami oraz obiegami cieplnymi realizowanych w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN. Zaplanowaliśmy wykorzystanie szeregu zaawansowanych metod, aby zbliżyć zespół do realizacji celów projektu, w tym zastosowanie nowoczesnych algorytmów optymalizacyjnych, technik uczenia maszynowego do analizy danych i tworzenia modeli predykcyjnych oraz weryfikację wyników przy użyciu różnorodnych, niezależnych kodów obliczeniowych” – deklaruje dr inż. Witanowski.

Projekt potrwa 3 lata, jego znaczną część będą stanowiły badania eksperymentalne. Wyniki i postępy prowadzonych badań można śledzić na stronie projektu COOLERHEAT.

Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk