Megačerpadla pro zásobování teplem

ABSTRACT: The 2024 Industrial Heat Pumps Conference in Prague gathered experts to discuss the integration of mega heat pumps in district heating, their role in utilizing renewable electricity, and practical examples like thermal storage for cost-effective heating. Discussed were also synergies with data centers and the challenge of using heat pumps in cold climates.

Konference Průmyslová tepelná čerpadla 2024 se i letos odehrála v prostoru pražského O2 Universa. Program akce dostál názvu místa konání dokonale: napříč třemi místnostmi, v nichž souběžně probíhaly přednášky, debaty či odborné workshopy, představil skutečně celý kosmos tepelných čerpadel (TČ) a řešení, jež pro nejen průmyslové účely nabízejí nebo brzy na komerční škále nabízet budou.

ČERPADLA PRO SZTE

Na dvoudenní konferenci byla představena také velká tepelná čerpadla pro soustavy zásobování tepelnou energií (SZTE), dosahující instalovaného výkonu přes 40 MWt a dvojciferného příkonu (v MW).

Tepelná čerpadla 21. století dokážou díky své flexibilitě využít různé zdroje tepla ze životního prostředí, jako jsou voda (mořská, jezera, řeky), odpadní voda z výrobních závodů nebo elektráren, geotermální energie (o teplotě 10–25 °C), venkovní vzduch nebo odpadní teplo z průmyslu a datových center. Navíc jsou ekologická, bezpečná a vydrží až 40 let.

Velká TČ mohou souběžně dodávat teplo do SZTE, poskytovat teplo pro průmysl a nákladově efektivně využívat levnou elektřinu z obnovitelných zdrojů (a tím ulevovat síti při nadbytku výroby). Stačí jen vyměnit uhelný, plynový nebo biomasový zdroj za efektivní elektřinou poháněná zařízení. Klíčovým prvkem využití TČ pro dodávky tepla je také termální akumulace, která umožňuje vyrábět teplo pouze tehdy, když je elektřina levná.

TČ využívající přírodní netoxická chladiva jsou dnes schopna dodávat nejen horkou vodu o teplotě v rozmezí 15–150 °C, ale dokonce i páru o teplotě až 280 °C. K ilustraci jejich výkonnosti byl na konferenci uveden příklad plaveckého bazénu olympijské velikosti (2,5 milionu litrů vody): jeho ohřev z 20 °C k varu by za využití TČ mohl trvat jen 4 hodiny, zmražení 11 hodin.

PIONÝŘI ZE SEVERU

Představen byl rovněž pionýrský projekt využití TČ k dodávkám městského tepla v dánském Aalborgu. Projekt zahrnuje instalaci čtyř tepelných čerpadel s celkovým výkonem 176 MW tepelné energie. Tato zařízení budou čerpat mořskou vodu o 10-15 stupních tempem 12 000 litrů za sekundu a ohřívat ji až na 98 °C. Město bude teplo zároveň uskladňovat v nádržích o celkovém objemu 200 000 m³. Očekává se, že projekt díky nahrazení fosilního plynu zajistí snížení emisí CO₂ o 210 000 tun. Využívání přírodního chladiva, vyčištěného CO₂, zajistí udržitelnost celého systému.

Podobná budoucnost čeká i Helsinky. Zde TČ s výkonem až 33 MW_t ušetří ročně na 26 000 tun CO₂. Vstupním médiem bude venkovní vzduch, který může být využit do teploty až –20 °C. Ještě na bodu mrazu mají mít místní TČ typu vzduch-voda COP (koeficient účinnosti) 2,2.

Tepelná čerpadla v SZTE navíc nemusí fungovat osamoceně: představena byla i jejich kombinace s kogeneračními plynovými zdroji, jejichž účinnost může využití TČ dále zvýšit.

FUNGUJÍ I V MRAZECH

To, že TČ mohou efektivně fungovat i v mrazech představili na konferenci Finové i v kontextu tamního boomu datových center: v současnosti finská datacentra spotřebovávají přibližně 7 TWh ročně, do roku 2030 by tato hodnota mohla (vlivem rozvoje umělé inteligence) vzrůst na 22 TWh.

Do Finska provozovatele datacenter přitahují především ceny elektřiny a chladné počasí. Právě nízké teploty ale zároveň představují velkou výzvu pro účinnost tepelných čerpadel. Tu však místní výrobci zajišťují pomocí využití vhodných chladiv, i zde tak TČ mohou sloužit k rekuperaci teplé vody (o asi 35 °C) z chladicích zařízení datových center a „dohřátí“ v létě na 77, v zimě na 115 stupňů pro potřeby helsinské SZTE.

JAK NAVÝŠIT ÚČINNOST TČ I SZTE

Jedním ze způsobů, jak zvýšit účinnost tepelných čerpadel, je snížení požadované teploty výstupní vody. Každý stupeň Celsia „navíc“ může v tomto případě snížit COP až o 2 %, což výrazně zvyšuje výrobní náklady. Snižování teplot v SZTE je tedy výhodné nejen pro zvýšení účinnosti, ale i z hlediska ekonomiky provozu.

Specifikem současného stavu SZTE je to, že jedna společnost často spravuje jak zdroj tepla, tak tepelnou distribuční síť. V budoucnu se očekává stále častější oddělení těchto činností, podobně jako tomu je v elektroenergetice, což by mělo náklady na výrobu tepla dále snížit – díky tomu, že každý bude dělat to, co umí nejlépe.

Pro velké firmy, například nemocnice nebo jiné velké areály, mohou být atraktivní i projekty typu „energy as a service“ (kdy koncový uživatel platí pouze za spotřebovanou energii, nikoliv za investice do zařízení).

V ČESKU ZATÍM ČEKÁME

V České republice bohužel zatím na širší nasazení velkých TČ marně čekáme. Prostředky z Modernizačního fondu, určené na transformaci teplárenství, putovaly v lepším případě do kotlů na biomasu, většinou ale do tradičních plynových kotlů.
I proto mají akce evropského významu, jakou byla i letošní konference Průmyslová tepelná čerpadla pořádaná společností Exergie.cz, v našich vodách mimořádný přínos.

Právě příležitost poslechnout si o pokroku v Evropě totiž může pomoci překonat mentální blok, který v ČR rozsáhlé elektrifikaci výroby tepla a chladu brání.