Ciepło, które dziś bezpowrotnie ucieka z zakładów przemysłowych do środowiska, może stać się ponownie użytecznym źródłem energii. Naukowcy z Politechniki Gdańskiej, Akademii Górniczo-Hutniczej oraz Instytutu Maszyn Przepływowych PAN opracują innowacyjną dwustopniową pompę ciepła, zdolną podnieść temperaturę odpadowego ciepła nawet o 100 K i wytworzyć nośnik o temperaturze do 200°C. Rozwiązanie powstaje w ramach projektu DUOHEAT, finansowanego przez Fundację Na Rzecz Nauki Polskiej.

Celem projektu jest stworzenie, przetestowanie i przygotowanie do komercjalizacji ultrawysokotemperaturowej pompy ciepła, zdolnej wytwarzać ciepło o temperaturze nawet do 200°C. To ambitne przedsięwzięcie wiąże się z dużym ryzykiem naukowym i technologicznym, ponieważ uzyskanie tak znacznego wzrostu temperatury pozostaje dziś poza zasięgiem rozwiązań dostępnych komercyjnie.

Kluczową cechą projektowanego urządzenia będzie tzw. spiętrzenie temperatury, czyli różnica między temperaturą źródła a temperaturą odbiornika ciepła. W przypadku pompy DUOHEAT ma ono wynosić co najmniej 100 K. Oznacza to możliwość podniesienia temperatury niskotemperaturowego ciepła odpadowego do poziomu, przy którym można je ponownie wykorzystać w wymagających procesach przemysłowych.

Rozwiązanie może znaleźć zastosowanie m.in. w przemyśle spożywczym, np. podczas suszenia i pasteryzacji, w przemyśle drzewnym przy suszeniu drewna, a także w przemyśle chemicznym, w procesach wymagających ogrzewania.

– W wielu procesach przemysłowych znaczne ilości ciepła odpadowego są bezpowrotnie „zrzucane” do środowiska, m.in. w postaci gorącego powietrza o temperaturze około 100°C czy pary. W ramach naszego projektu, dzięki zastosowaniu pompy ciepła, planujemy odzyskać tę niewykorzystaną energię. Podniesienie temperatury ciepła odpadowego o co najmniej 100°C pozwoli na jego ponowne wykorzystanie w przemyśle – mówi prof. Dariusz Mikielewicz, prorektor ds. nauki, dyrektor Instytutu Energii, kierownik projektu.

Od badań do prototypu

Prace nad urządzeniem obejmą kompleksowe badania eksperymentalne, analityczne i numeryczne. Naukowcy skoncentrują się na najważniejszych elementach przyszłego systemu, w tym na sprężarce, wymiennikach ciepła i doborze odpowiedniego czynnika roboczego. Analizowane będą także przemiany fazowe oraz przepływy dwufazowe zachodzące podczas pracy urządzenia.

Projekt realizowany jest przez konsorcjum, którego liderem jest Politechnika Gdańska. W jego skład wchodzą również Akademia Górniczo-Hutnicza oraz Instytut Maszyn Przepływowych PAN.

Sprężarka sercem systemu

Jednym z najważniejszych elementów projektowanej pompy będzie wysokoobrotowa, bezolejowa sprężarka odśrodkowa o wysokiej sprawności. Zastosowanie łożysk i uszczelnień niewymagających oleju ma pozwolić na ograniczenie strat energii, uproszczenie obsługi urządzenia oraz wyeliminowanie ryzyka wycieku substancji szkodliwych dla środowiska.

Konstrukcja sprężarki będzie miała bezpośredni wpływ na sprawność całego systemu i możliwość osiągnięcia zakładanych parametrów temperaturowych.

W trosce o środowisko 

Istotnym elementem badań będzie również dobór czynnika roboczego, czyli substancji, która krąży w obiegu pompy i odpowiada za transport energii cieplnej.

– Drugim istotnym elementem jest wybranie czynnika roboczego. Moją intencją, jako kierownika tego projektu jest to, by czynnik był naturalny, organiczny, taki, który nie wpłynie na środowisko negatywnie – dodaje prof. Mikielewicz.

Wybór odpowiedniego czynnika będzie musiał uwzględniać zarówno jego właściwości termodynamiczne, jak i bezpieczeństwo użytkowania oraz wpływ na środowisko.

Drugie życie ciepła odpadowego

DUOHEAT ma przyczynić się do rozwoju gospodarki opartej na bardziej zrównoważonej produkcji ciepła. Odzyskiwanie energii, która obecnie jest tracona, może ograniczyć zużycie paliw, zmniejszyć emisje i poprawić efektywność energetyczną procesów przemysłowych.

Technologia może również wspierać elektryfikację przemysłu, czyli zastępowanie procesów opartych na spalaniu paliw rozwiązaniami wykorzystującymi energię elektryczną. Powiązanie produkcji ciepła z systemem elektroenergetycznym może sprzyjać lepszemu wykorzystaniu energii pochodzącej z odnawialnych źródeł, a w przyszłości również z planowanych w Polsce jednostek energetyki jądrowej.

Prace nad projektem potrwają do 29 marca 2029 r.

Projekt pt. „Wdrożenie innowacyjnej dwustopniowej pompy ciepła do elektryfikacji wysokotemperaturowych procesów cieplnych – DUOHEAT jest finansowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG). Kwota finansowania: 10 992 912,95 zł.