Gdy mówimy o kryzysie klimatycznym, to najczęściej na celowniku lądują elektrownie węglowe, lotnictwo i transport drogowy. Tymczasem w cieniu kominów działa gigantyczny, ale mało efektowny bohater drugiego planu: przemysłowe kotły parowe. Od ponad dwóch stuleci wyglądają podobnie, robią to samo i spalają w zasadzie te same paliwa, przez co każdego roku ludzkość wysyła do atmosfery około 2,2 gigaton dwutlenku węgla. Stanowi to blisko pięć procent wszystkich emisji związanych z energią i to wygenerowane przez coś tak nudnego jak kocioł w kotłowni. Właśnie na ten problem postanowił odpowiedzieć AtmosZero, startup założony przez ludzi związanych z MIT, który proponuje pozornie prostą zmianę: zamiast spalać gaz albo olej, wykorzystajmy powietrze wokół budynku i energię elektryczną, by wytwarzać tę samą parę, w tych samych parametrach, ale bez kominów i płomieni.
Problematyczna para procesowa
Warto uświadomić sobie, dlaczego właśnie para procesowa, a więc w praktyce para nasycona o temp. do ok. 150°C, jest tak trudnym fragmentem układanki, jeśli chodzi o odchodzenie od paliw kopalnych. Energetyka elektryczna potrafi korzystać z wiatru, słońca czy atomu, transport rozwija paliwa alternatywne i elektryfikację. Tymczasem przemysłowe ciepło wysokotemperaturowe wciąż w ogromnej mierze opiera się na prostym schemacie: palnik, płomień, wymiennik, para. To technologia banalna w obsłudze, przewidywalna, dobrze znana inżynierom utrzymania ruchu i stosunkowo tania w zakupie. Każda próba jej zastąpienia czymś nowym musi więc nie tylko być czystsza, ale też bezproblemowa, przewidywalna i nadająca się do wpięcia w istniejące instalacje bez generalnego remontu zakładu.
Czytaj też: Nie krzem i nie perowskit. Oto nowy pretendent do rewolucjonizowania paneli słonecznych
Ogromnym wyzwaniem jest też temperatura. Pompy ciepła do ogrzewania budynków zdążyły już udowodnić swoją przydatność, ale zazwyczaj operują na wodzie grzewczej o temperaturach znacznie niższych niż te wymagane do wytworzenia pary technologicznej. Przemysł nie potrzebuje letniej wody do grzejników, tylko stabilnej pary nawet w okolicach 150 stopni Celsjusza, często pracującej non stop przez wiele godzin dziennie. W tym reżimie pracy większość klasycznych rozwiązań traci przewagę sprawnościową, a w grę wchodzą ograniczenia termodynamiczne i wytrzymałościowe.
Dlatego AtmosZero nie próbuje zbudować “ładniejszego kotła na prąd”, lecz konstruuje wyspecjalizowaną maszynę cieplną, której cała architektura podporządkowana jest temu, by dostarczać parę w przemysłowych parametrach, a jednocześnie utrzymać jak najwyższy współczynnik efektywności. Z perspektywy użytkownika idea jest kusząco prosta: zamiast inwestować w nowe rurociągi czy przebudowę linii produkcyjnej, stary kocioł spalinowy zostaje zastąpiony modułem pompy ciepła wpiętym w te same kolektory pary. Zmienia się źródło energii i ślad węglowy, ale nie sposób, w jaki fabryka korzysta z pary.
Takie podejście świetnie wpisuje się w logikę zakładów, które od lat walczą z rosnącymi cenami gazu i zaostrzającymi się regulacjami klimatycznymi, a jednocześnie nie mogą sobie pozwolić na wielomiesięczne przestoje czy ryzykowne eksperymenty z egzotycznymi technologiami. AtmosZero obiecuje rozwiązanie, które z zewnątrz wygląda jak kolejny element kotłowni, a dopiero po przyjrzeniu się bliżej widać, że jest to w istocie elektryczne serce całego systemu.
Innowacyjna pompa ciepła. Tak działa system AtmosZero
Rozwiązanie, nad którym pracuje firma, to wyspecjalizowana, modułowa pompa ciepła. Urządzenie zostało zaprojektowane tak, aby mogło bezpośrednio zastąpić tradycyjny kocioł spalinowy, dostarczając parę o temperaturze do 150 stopni Celsjusza. Sercem systemu jest unikalna konstrukcja sprężarek opracowana przez współzałożyciela Todda Bandhauera. Pompa wykorzystuje ciepło z powietrza otoczenia, by ogrzać płyn transferowy, który z kolei odparowuje czynnik chłodniczy. Ten jest następnie sprężany, co radykalnie podnosi jego temperaturę, aż w końcu jest w stanie zagotować wodę.
Sprężarka jest silnikiem pompy ciepła i decyduje o wydajności, koszcie oraz osiągach. Podstawowym wyzwaniem w dostarczaniu ciepła jest to, że im wyższą temperaturę powietrza podnosi pompa ciepła, tym niższa jest jej maksymalna wydajność. Napotyka to na ograniczenia termodynamiczne. – Addison Stark, szef firmy, podkreśla rolę sprężarki w całym układzie.
Czytaj też: Miedź upokorzona. Elektronika się gotuje, a azotek tantalu w fazie theta ją ratuje
Obecnie w zakładzie w Kolorado trwają testy pilotażowej jednostki o mocy 650 kilowatów, której zadaniem jest potwierdzenie niezawodności technologii w różnych warunkach pogodowych. Kluczowa jest tutaj efektywność energetyczna, bo według przedstawionych danych, system ma zużywać o połowę mniej energii elektrycznej niż konwencjonalne kotły elektryczne, co w długim okresie może przełożyć się na oszczędności.
Jednym z głównych założeń projektowych było ułatwienie procesu wdrożenia. AtmosZero chciało stworzyć rozwiązanie, które działałoby dokładnie jak stary kocioł, aby klienci nie musieli modyfikować swoich linii produkcyjnych. Firma deklaruje, że instalacja podstawowego modułu może zająć zaledwie kilka godzin, a pełne uruchomienie systemu ledwie kilka dni, a to wszystko jednocześnie bez konieczności wstrzymywania produkcji.
Czytaj też: Szwajcarzy znaleźli klucz do stabilności akumulatorów ze stałym elektrolitem
Musimy jednak pamiętać, że nawet najlepiej zaprojektowany prototyp nie unieważnia podstawowych pytań, które zawsze wracają przy nowych technologiach przemysłowych. Na ile stabilne będą rzeczywiste koszty eksploatacji, gdy zmienią się ceny energii elektrycznej i opłaty za emisje? Jak zachowa się taka instalacja po latach pracy w zakładzie, w którym codziennością są przeciążenia, wahania obciążeń i presja na absolutną niezawodność? I wreszcie: czy operatorzy fabryk zaufają rozwiązaniu, które wprowadza do konserwatywnego świata kotłowni zupełnie nową klasę urządzeń, mocno opartą na zaawansowanej mechanice i elektronice mocy?
Realistyczne cele i przyszłość pary w przemyśle
Plany firmy są ambitne, ale wydają się mierzone realnymi możliwościami. W najbliższych dwóch latach AtmosZero zamierza dostarczyć pierwsze komercyjne jednostki wybranym klientom, a następnie zwiększać skalę produkcji. Firma skupia się na zakładach, których szczytowe zapotrzebowanie na ciepło nie przekracza 10 megawatów, co obejmuje większość amerykańskich obiektów przemysłowych. Czy technologia AtmosZero rzeczywiście zrewolucjonizuje przemysł? To już zależy od wielu czynników.