Ciepło odpadowe z oczyszczalni kluczem do zielonej energetyki

Jak efektywnie wykorzystać istniejącą infrastrukturę ciepłowniczą i wodno-kanalizacyjną w polskich miastach?

Sektor ciepłowniczy w Polsce, podobnie jak w wielu innych krajach, stoi przed wyzwaniem zapewnienia stabilnych i przewidywalnych dostaw energii cieplnej przy jednoczesnym wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii (OZE). Choć źródła OZE, takie jak energia słoneczna czy wiatrowa, są coraz popularniejsze, ich produkcja jest uzależniona od warunków atmosferycznych, co utrudnia zapewnienie ciągłości dostaw ciepła. Konieczne jest zatem uzupełnienie tych źródeł o bardziej stabilne, by stworzyć hybrydowe systemy energetyczne.

Jednym z obserwowanych trendów w sektorze ciepłowniczym było zwiększenie wykorzystania biomasy. Jednakże, rosnące zapotrzebowanie na biomasę oraz coraz bardziej restrykcyjne przepisy dotyczące zrównoważonego pozyskiwania tego surowca sprawiają, że konieczne jest poszukiwanie alternatywnych rozwiązań.

Nieco niedocenianym źródłem energii, którego znaczenie nadal nie odpowiada ogromnemu potencjałowi jest ciepło odpadowe. Strumienie ciepła niskotemperaturowego pochodzące m.in. z przedsiębiorstw wodociągowo-kanalizacyjnych są w wielu przypadkach marnotrawione, ponieważ ich temperatura jest zbyt niska, aby możliwe było ich bezpośrednie wykorzystanie do celów przemysłowych lub ciepłowniczych. Źródeł ciepła odpadowego w warunkach miejskich możemy szukać głównie w przemyśle, centrach danych oraz stacjach uzdatniania wody i oczyszczalniach ścieków.

EneriaCAT dostarcza rozwiązania energetyczne, które pozwalają w pełni wykorzystać potencjał niskotemperaturowego ciepła odpadowego. Dzięki nowoczesnym technologiom, takim jak pompy ciepła, możliwe jest efektywne odzyskanie ciepła z nisko termicznych źródeł i jego wykorzystanie w systemach ciepłowniczych.

Odzyskiwanie energii niskotemperaturowej na przykładzie oczyszczalni ścieków

Energia cieplna zawarta w ściekach stanowi stabilne źródło niskotemperaturowego ciepła, które może być efektywnie wykorzystane w ciepłownictwie. Dzięki zastosowaniu wysokotemperaturowych pomp ciepła pracujących na nowoczesnych czynnikach chłodniczych, możliwe jest odzyskanie tej energii. Pomiary przeprowadzone przez EneriaCAT wskazują, że temperatura ścieków w polskich warunkach waha się od 7 do 12°C zimą i od 18 do 22°C latem, co jest wystarczające do efektywnej pracy pompy ciepła. Warto jednak pamiętać, że nie każda pompa ciepła woda/woda jest odpowiednia do tego zastosowania. Urządzenia przeznaczone do współpracy z siecią ciepłowniczą muszą być przystosowane do pracy w trudnych warunkach, charakteryzować się wysoką wydajnością przy dużych różnicach temperatur i wysokich ciśnieniach roboczych (około 16 bar) oraz wymagać regularnej, profesjonalnej obsługi. Tylko takie urządzenia są w stanie zapewnić długotrwałą i bezawaryjną pracę, umożliwiając efektywne wykorzystanie ciepła ze ścieków.

Koncepcja technologiczna układu hybrydowego – analiza przypadku

Do celów analizy w niniejszym artykule przyjęto opracowaną koncepcję oczyszczalni ścieków zlokalizowanej w mieście powiatowym w południowo-wschodniej Polsce. Oczyszczalnia obsługuje potrzeby miasta powiatowego średniej wielkości.

Projektowana instalacja będzie realizowała odzysk ciepła ze ścieków oczyszczonych. Ścieki oczyszczone przed zrzutem do cieku wodnego zostaną skierowane na płytowy wymiennik ciepła, który pozwoli na odbiór niskotemperaturowego strumienia energii i podniesienie jego parametrów za pomocą zestawu pomp ciepła do temperatury zgodnej z krzywą grzewczą sieci ciepłowniczej. W okresie letnim parametr ten jest stały i wynosi (70^◦C), natomiast w pozostałej części roku pompy ciepła będą miały za zadanie podwyższać temperaturę powrotu sieci ciepłowniczej. Parametry pracy pompy ciepła, przepływy oraz COP układu przedstawiono na poniższym schemacie z programu symulacyjnego firmy Gazuno.

W okresie letnim, przy temperaturze dolnego źródła na poziomie 20^◦C układ odzysku ciepła uzyskuje moc grzewczą przekraczającą 1MW przy COP 3,42. W okresie zimowym przy minimalnej temperaturze dolnego źródła układ uzyskuje moc grzewczą na poziomie 711kW przy COP 2,75.

Odzysk energii z obiegu LT układu kogeneracyjnego

Aby dodatkowo zwiększyć sprawność agregatów kogeneracyjnych istnieje możliwość zastosowania również odzysku ciepła odpadowego z układu LT agregatu. W trakcie pracy systemu kogeneracyjnego powstają duże ilości ciepła odbierane przez układy chłodzenia i usuwane za pośrednictwem chłodnic. Odbiór tej energii przez pompy ciepła i wtłoczenie do sieci ciepłowniczej może pozwolić na podniesienie ogólnej sprawności układu o kilka procent.

Koncepcja instalacji hybrydowej na oczyszczalni ścieków:

Zalety układu

• Wykorzystanie odpadów (ścieków i biogazu) do produkcji energii wpisuje się w ideę gospodarki obiegu zamkniętego, promując zasady zrównoważonego rozwoju.
• Układ odzysku ciepła ze ścieków oczyszczonych oraz wykorzystanie biogazu, przyczyniają się do efektywnego wykorzystania energii, która inaczej byłaby marnowana.
• Koncepcja wpisuje się w cele transformacji sektora ciepłowniczego w Polsce, poprzez zwiększenie udziału stabilnej energii odnawialnej, efektywne wykorzystanie dostępnych strumieni energii oraz zwiększenie niezależności energetycznej sektora ciepłowniczego.
• Ciepło z agregatu kogeneracyjnego będzie stanowiło stabilne, efektywne oraz odnawialne źródło ciepła dla sieci ciepłowniczej ze względu na zasilanie go biogazem z komór fermentacyjnych oczyszczalni lub wytworzonym z odpadów rolniczych.

Wnioski

Idea zastosowania układu hybrydowego składającego się z agregatu kogeneracyjnego i pompy ciepła pozwala na wykorzystanie niskotemperaturowych strumieni energii odpadowej z oczyszczalni ścieków i ich wykorzystanie w ciepłownictwie. Nowoczesne technologie odzysku energii i wysokosprawna kogeneracja pozwalają na efektywne wykorzystanie potencjału energetycznego ścieków oczyszczonych i biogazu wyprodukowanego lokalnie w oczyszczalni ścieków lub z odpadów rolniczych. Dodatkowym, atutem stosowania rozwiązań hybrydowych jest zwiększenie sprawności układu kogeneracyjnego dzięki ograniczeniu strat cieplnych generowanych przez agregat. Celem nadrzędnym stosowania rozwiązań hybrydowych i odzysku energii w przedsiębiorstwach ciepłowniczych jest uzyskanie statusu efektywnego systemu ciepłowniczego, wprowadzenie OZE do systemu przy jednoczesnym zapewnieniu stabilnych dostaw energii cieplnej do sieci ciepłowniczej, redukcja emisji CO2 oraz obniżenie kosztu GJ energii dostarczonej do odbiorców końcowych.

Podsumowując, wykorzystanie niskotemperaturowych strumieni energii odpadowej z oczyszczalni ścieków stanowi perspektywiczne rozwiązanie dla transformacji energetycznej sektora ciepłowniczego. Dzięki tej technologii możliwe jest zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych, zwiększenie efektywności energetycznej oraz poprawa jakości powietrza. Jednocześnie, takie rozwiązania przyczyniają się do rozwoju lokalnych gospodarek i tworzenia nowych miejsc pracy.

Aby możliwe było wdrożenie tego typu rozwiązań na szeroką skalę konieczne jest wsparcie doświadczonego i kompetentnego partnera.  EneriaCAT posiada wieloletnie doświadczenie w zakresie rozwiązań energetycznych. Zadaniem dedykowanego zespołu pracowników, Działu OZE Dekarbonizacji i Rozwoju, jest wspieranie naszych klientów w procesie dekarbonizacji od koncepcji, aż do realizacji.

Materiał sponsorowany