Trwa II etap prac badawczo-rozwojowych nad projektem Chemiczna Pompa Ciepła. Opracowana w ramach projektu przemysłowa technologia chemicznej pompy ciepła (CPC) pozwoli na uzyskanie istotnych oszczędności ilości energii zużywanej w procesach przemysłowych firm – nabywców instalacji CPC. Odbiorcami docelowymi mogą być zakłady przemysłu spożywczego, gorzelnie, biogazownie, w których powstają znaczne ilości energii z niskotemperaturowych strumieni odpadowych.

Rosnące ceny paliw kopalnych oraz konieczność ochrony środowiska naturalnego powodują, że zmniejszenie nakładów energetycznych w sektorze przemysłowym jest aktualnie zadaniem priorytetowym. Główną przyczyną niskiej efektywności energetycznej jest generowanie dużych ilości ciepła odpadowego oraz brak technologii umożliwiającej zagospodarowanie tej energii. Szacuje się, że w zakładach przemysłowych wykorzystujących w procesach technologicznych energię cieplną, od 20 do nawet 50% tej energii jest bezpowrotnie rozpraszane do otoczenia. Niska jakość ciepła odpadowego (jest to zwykle ciepło niskotemperaturowe) utrudnia jego odzyskanie i dalsze wykorzystanie. Zagospodarowanie chociażby części tej energii ograniczy zapotrzebowanie energetyczne zakładu i w efekcie obniży koszty produkcji oraz pozytywnie wpłynie na stan środowiska naturalnego.

Jedną z możliwości przetworzenia ciepła odpadowego na ciepło użyteczne jest zastosowanie pomp ciepła. Klasyczna sprężarkowa pompa ciepła do podniesienia temperatury medium roboczego wymaga użycia znacznej ilości energii mechanicznej do napędu sprężarki. Chemiczne pompy ciepła (CPC) wykorzystują energię odwracalnej reakcji chemicznej do zmiany temperatury płynów roboczych w oparciu o energię zakumulowaną w substancjach chemicznych. Zaletami CPC są wysoka akumulacja energii i możliwość jej przechowywania oraz niskie straty ciepła do otoczenia. W efekcie, CPC nadają się zarówno do efektywnego pozyskiwania energii ze źródeł niskotemperaturowych (np. z ciepła odpadowego w systemach przemysłowych), jaki i do jej przechowywania. Nie ma dotychczas na rynku dostępnych zastosowań przemysłowych dużej mocy wykorzystujących CPC do odzysku ciepła odpadowego.

W związku z koniecznością poprawy efektywności energetycznej procesów produkcyjnych i potencjałem chemicznych pomp ciepła do odzysku energii ze strumieni niskotemperaturowych, finalnym celem projektu jest zaprojektowanie i budowa demonstracyjnej CPC o mocy 1 MW wykorzystującej strumień ciepła odpadowego. Zaplanowanie instalacji funkcjonującej na tak dużą skalę jest nie lada wyzwaniem, głównie ze względu na innowacyjność układu i brak funkcjonujących instalacji tego typu, na których można by się wzorować. Dlatego plan projektu zakłada trzy etapy badań. Niezbędne było dokończenie badań procesu w skali laboratoryjnej (I etap), a następnie budowa instalacji wielkolaboratoryjnej (~100 kW) i wykonanie szeregu testów w czasie doświadczalnej eksploatacji (II etap). Uzyskane wyniki pozwolą na weryfikację założeń, zaprojektowanie i budowę docelowej instalacji demonstracyjnej. Rozłożenie badań na trzy etapy i stopniowe zwiększanie skali badań pozwoli na dokładne zbadanie procesu, przy jednoczesnym ograniczeniu kosztów badań oraz minimalizacji ryzyk. Pierwsze dwa etapy badań dotyczą prac przemysłowych, natomiast ostatni badań rozwojowych.

Dzięki zastosowaniu instalacji CPC nastąpi poprawa bilansu energetycznego danego procesu przemysłowego o kilka/kilkanaście punktów procentowych, co prowadzi do analogicznego zmniejszenia zużycia energii pierwotnej. Dzięki temu nastąpi również zmniejszenie emisji zanieczyszczeń powstających podczas spalania nośników energii. Technologia będąca wynikiem zakończenia projektu będzie ekonomicznie uzasadnioną metodą odzysku energii z niskotemperaturowych (często wysokoenergetycznych) strumieni odpadowych. Najważniejszą kwestią dla nabywcy urządzenia (instalacji CPC) będzie określenie relacji między poniesionymi wydatkami na przedmiotową inwestycję, a oszczędnościami wydatków na zakup nośników energii wykorzystywanych. Konieczne są zatem dokładne pomiary poziomu energochłonności procesów przed zainstalowaniem CPC, jak i po zainstalowaniu CPC. Pomiary takie będą prowadzone przy każdym realizowanym zleceniu dla wiedzy użytkownika, jak i dla celów naszego projektu. Zaproponowany wskaźnik „Stosunek odzyskanej energii cieplnej do strumienia ciepła odpadowego poddanego obróbce przez CPC” w optymalny sposób określi efektywność zastosowań projektu. Ponieważ przed zaaplikowaniem CPC w danej instalacji przemysłowej nie jest możliwe określenie stopnia zmniejszenia energochłonności inaczej niż poprzez wyliczenia teoretyczne, wartość docelowa wskaźnika będzie określana przez monitoring (ewidencjonowane pomiary bezpośrednie).

Pierwszy etap prac dedykowano badaniu układu chemicznego do odzysku ciepła. Zweryfikowaliśmy dostępne w literaturze dane dotyczące właściwości fizykochemicznych układu chemicznego, doświadczalnie zostały wyznaczone efekty cieplne kluczowych przemian w funkcji ciśnienia i stężenia mieszaniny roboczej. Opracowaliśmy metodologię doboru i optymalizacji zakresu roboczych stężeń i ciśnień w obiegu pompy ciepła do temperatury źródła energii odpadowej. Przeanalizowaliśmy efektywność wymiany ciepła, wpływ układu chemicznego na materiały konstrukcyjne instalacji, oszacowaliśmy koszty oraz wpływ na środowisko. Na podstawie wyników badań laboratoryjnych opracowano model termodynamiczny opisujący działanie chemicznej pompy ciepła dla wybranego układu chemicznego w funkcji parametrów procesowych. 

W drugim etapie badań weryfikujemy model termodynamiczny na podstawie danych uzyskanych w czasie pracy instalacji wielkolaboratoryjnej. Ze względu na brak funkcjonujących w przemyśle chemicznych pomp ciepła proponowanego typu, obecnie jest niemożliwe zweryfikowanie jakiegokolwiek modelu opisującego chemiczną pompę ciepła. Przy współpracy z Politechniką Łódzką Wydział Inżynierii procesowej i Ochrony Środowiska wykonano badania odporności korozyjnej materiału na kwas fosforowy, aby nie rozpuścił urządzeń procesowych. Po wybudowaniu instalacji wielkolaboratoryjnej i jej integracji z istniejącym źródłem ciepła przystąpujemy do wykonania pomiarów pozwalających na weryfikację modelu i jego dalsze wykorzystanie do powiększania skali instalacji. Na podstawie wyników badań instalacji wielkolaboratoryjnej będą również opracowane założenia projektowe dla instalacji demonstracyjnej, wskaźniki energetyczne, architektura i strategia systemu kontrolno-pomiarowego. Etap badań w warunkach zbliżonych do eksploatacyjnych pozwoli na optymalizację funkcjonowania instalacji wielkolaboratoryjnej. Instalacja ta będzie poddana optymalizacji pod kątem efektywności energetycznej, ekonomicznej oraz aspektów BHP i środowiskowych. Zoptymalizowana instalacja wielkolaboratoryjna będzie bazą projektową dla instalacji demonstracyjnej.

W trzecim etapie badań rozwojowych zostanie wykonany projekt procesowy oraz wykonawczy instalacji prototypowej. Następnie instalacja zostanie zbudowana i uruchomiona. Pomiary w warunkach eksploatacyjnych analogiczne do przeprowadzonych w etapie drugim projektu pozwolą na weryfikację założeń projektowych i energetyczną optymalizację całego procesu.

Efektem końcowym projektu będzie funkcjonująca instalacja gotowa do komercjalizacji z możliwością zastosowania w różnego rodzaju procesach przemysłowych. Jednocześnie przeprowadzone badania opisujące podstawy procesu oraz opracowany model chemicznej pompy ciepła umożliwią ewentualne dalsze powiększanie skali dla instalacji CPC. Dodatkowo w strukturze projektu zaplanowano działania mające na celu upowszechnianie wyników prowadzonych prac.