W lutowym wydaniu naszego ulubionego czasopisma dla branży przetwórstwa tworzyw sztucznych – PLASTECHO ukazał się kolejny artykuł na temat efektywnego energetycznie chłodzenia. Poniżej pełna treść oraz wersja audio.

Puszczając oczko do moich wykładowców z Akademii Leona Koźmińskiego, odpowiadam: „To zależy”.

Zależy od tego, jakiego chłodzenia wymaga, ile gotowy produkt waży, w jakim zakresie temperatur się poruszamy, w jaki sposób produkowany jest chłód, jakie są straty na jego przesyle… i dopiero na końcu od tego, ile czytelnik płaci za kilowatogodzinę energii elektrycznej. Wspominam o stawce za energię elektryczną jako o ostatnim kryterium, ponieważ dla różnych systemów chłodzenia różnica w zużyciu prądu wynosi nawet 50% – czyli więcej, niż podwyżki w momencie pisania tego artykułu. Jak nietrudno zauważyć, zmiennych jest wiele. I o ile łatwo jest określić koszty inwestycyjne kupna chillera lub budowy centralnego układu chłodzenia, to koszt pracy tego układu, a w wyniku tego koszt schłodzenia tytułowej „szczotki” jest bardzo trudny do określenia. Często jest on częścią całościowego rachunku za energię elektryczną i miesza się z energią zużytą do zasilania maszyn, oświetlenia i innych. Oczywiście podany przykład nie jest regułą, a prezentuje ogólną tendencję.

Niniejszy tekst jest rozwinięciem innego artykułu mojego autorstwa, który ukazał się w jednym z wcześniejszych numerów „Plast Echo”. Powróćmy więc do analizy chillera o mocy 500 kW. Załóżmy, że dwa urządzenia pracują w jednakowych warunkach, z pełnym obciążeniem, cały rok. Produkujemy wodę o temperaturze 10/15°C i jako bazowe rozważamy urządzenie na popularnym czynniku syntetycznym (r410a), a porównywane na r744 (CO2). Obydwa systemy chłodzą wodę, której obieg zapewnia pompa o mocy 8 kW. Proszę zwrócić uwagę, że w stosunku do poprzedniego artykułu obniżyliśmy temperaturę wody. Obydwa chillery przez rok wyprodukują 4 380 000 kWh chłodu. Maszyna F-gazowa zużyje w tym czasie 853 185 kWh, a na CO2 474 063 kWh energii elektrycznej. Energia ta zużyta będzie przez sprężarki, wentylatory skraplacza (lub gas coolera), pompy i w marginalnej wielkości na automatykę i sterowanie. Wykonując proste obliczenia, koszt 1 kWh chłodu dla rozważanych systemów przedstawia się więc następująco (1 kWh energii elektrycznej = 1 złoty): r410a – 0,18 zł/ kWh chłodu, r744 – 0,10 zł/kWh chłodu – oszczędność 44% lub 379 122 zł na rok.

ILE OSZCZĘDZA FREE-COOLING?

Free-Cooling – czyli darmowe chłodzenie – polega na chłodzeniu wody technologicznej za pomocą powietrza zewnętrznego w momencie kiedy temperatura otoczenia jest wystarczająco niska. W przypadku wody 10/15°C pełną moc chłodzenia będziemy mieli zazwyczaj dla temperatury zewnętrznej około +2°C. Choć niestety nierzadko widzę dry coolery policzone na deltę 12 lub więcej stopni Celsjusza. Free-Cooling ze względu na ryzyko zamrożenia wody często pracuje na glikolu z dodatkowym wymiennikiem, co obniża jego efektywność. W takim układzie zmaleje czas pracy sprężarek na rzecz wydłużonego działania wentylatorów, dodatkowych pomp i straty na wymienniku. System F-gazowy zużyje 753 226 kWh energii elektrycznej, a na CO2 444 458 kWh. Pełne dane przedstawiono w tabeli 1.

Jak więc widzimy, w zależności od sposobu produkcji chłodu może on nas kosztować od 0,09 zł do ponad 0,18 zł za każdą kWh, a nawet więcej w przypadku zużytych instalacji chłodniczych. W tej wartości nie uwzględniłem serwisowania. Skoro ustaliliśmy koszt jednostkowy chłodu, to zapytajmy ile jest go potrzebne do schłodzenia tytułowej „szczotki”? W procesie przetwórstwa tworzyw sztucznych chłodzone są: produkowany detal, olej i forma. Pojawia się także strata chłodu na jego przesyle. Mówiąc prostszymi słowami, oznacza to niepożądane ogrzewanie wody chłodniczej w rurociągach, pompach i zbiornikach. Na potrzeby tego artykułu wykonałem obliczenia teoretyczne oraz skonsultowałem się z producentami wtryskarek. Powinienem podkreślić, że wymagana moc chłodnicza będzie znacząco się różnić w zależności od materiału, temperatur produkcji oraz wielu czynników, które czytelnik zapewne zna bardzo dobrze. Dalsze dane proszę więc potraktować bardziej jako opis konkretnego przypadku niż uniwersalną wiedzę. Jako dobrą praktykę przyjmuje się, że w produkcji wykorzystującej chłodzone formy, chiller powinien mieć 50% mocy elektrycznej wtryskarki i to od tej wartości wyszedłem do dalszych obliczeń. Produkując 4 szczotki o masie 90 gramów na minutę, w ciągu godziny przetworzone zostanie 21,6 kilograma materiału. Maszyna taka wymaga chillera o mocy 20 kW. Daje to 0,926 kWh chłodu/kg lub 0,083 kWh chłodu na jedną szczotkę. Ostateczny koszt chłodzenia w rozmaitych konfiguracjach przedstawia tabela 2.

Podsumowując: średnioroczne schłodzenie tytułowej szczotki kosztuje między 0,8 a 1,5 grosza na każdą sztukę gotowego produktu. W lato będzie to bliżej 2 do 4 groszy, z kolei zimą koszt ten wyniesie mniej niż podane wyżej wartości. Biorąc pod uwagę koszt jednostkowy, wspomniana wartość nie jest duża, jednak warto zwrócić uwagę na wykres przedstawiający pracę wymienionych urządzeń w skali 15 lat – a tyle (przynajmniej) powinien pracować chiller.

Mówimy więc o potencjale oszczędności (lub niepotrzebnie wydanych pieniądzach) na poziomie ponad 6,1 mln złotych zakładając, że cena energii nie wzrośnie. Wartość ta przekracza wielokrotnie dodatkowy koszt lepszych technologii chłodniczych.

NIEZAGOSPODAROWANY POTENCJAŁ CHŁODU – CIEPŁO

Pod względem termodynamicznym chłodzenie polega na odbieraniu ciepła. Poprzez obieg chłodniczy chillera ciepło to ostatecznie jest usuwane do otoczenia, czyli jest traktowane jako odpad. A jak pokażę niżej – jest to bardzo wartościowy odpad. Rozważany chiller o mocy 500 kW będzie wyrzucał do otoczenia przynajmniej 600 kW ciepła (w warunkach maksymalnego obciążenia), co w skali roku daje 5,25 mln kWh. Ciepło to pozyskane z gazu przy stawce 0,25 zł/kWh będzie warte 1 314 000 złotych co roku. Z punktu widzenia „strony ciepłej” będzie to pompa ciepła, która może zaspokoić potrzeby nawet 120 domów. Istotna różnica pomiędzy wymienionymi chillerami kryje się także w zagadnieniach ekologicznych. Jest to jednak temat bardzo szeroki i pozostawię go na kolejny artykuł.

Podsumowując, każdy chiller to jednocześnie koszt i potencjał. Koszt po stronie chłodzenia, który składa się z kosztu inwestycyjnego i eksploatacyjnego oraz wymaga daleko idącej optymalizacji. Dopiero suma kosztów realnie odzwierciedla przeznaczone na chiller fundusze oraz potencjalny zysk po stronie ogrzewania. To, jaki system należy zastosować, zależy od indywidualnych potrzeb każdego klienta. Uważam, że w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych czas superefektywnych chillerów zbliża się wielkimi krokami. A może już nastał?

Maurycy Szwajkajzer

dla Plast Echo luty 2022