Wielkoskalowe i wysokotemperaturowe pompy ciepła pomagają w dekarbonizacji przemysłu i całych miast

Wprowadzenie

Przemysłowe pompy ciepła są wydajnym i ekonomicznym rozwiązaniem do wytwarzania ciepła i chłodu. Podnoszą temperaturę, pochłaniając energię cieplną z istniejącego niskotemperaturowego źródła ciepła i uwalniając ją do cieplejszej przestrzeni. Wykorzystanie źródła ciepła (np. ciepło odpadowe z przemysłu lub odnawialne ciepło naturalne, takie jak rzeki, morza lub źródła geotermalne) umożliwia pompom ciepła generowanie znacznie większej ilości ciepła przy określonej ilości energii elektrycznej niż prosta bezpośrednia konwersja energii elektrycznej na ciepło [16][17].

W kolejnych latach ciepłownictwo będzie stopniowo elektryfikowane i dekarbonizowane, dzięki stopniowemu zastępowaniu elektrociepłowni opalanych paliwami kopalnymi energią odnawialną w postaci pomp ciepła już z czynnikami naturalnymi. Oczekuje się, że globalny rynek wielkoskalowych pomp ciepła wykorzystujących naturalne czynniki chłodnicze (amoniak, dwutlenek węgla) wzrośnie z 5,20 mld USD w 2022 r. do 8,17 mld USD w 2027 r. przy CAGR na poziomie 9,3%. Szczególnie innowacje technologiczne to kluczowy trend zyskujący popularność na wielkoskalowym rynku pomp ciepła wykorzystujących naturalny czynnik chłodniczy [15].

Rys. 1. Globalne zapotrzebowanie na energię końcową w 2019 r. według sektorów wraz z szacunkowymi temperaturami stosowania i źródłami energii końcowej [22]

Wg analiz rynkowych branża przemysłowych pomp ciepła o mocy od 2 MW do 5 MW może odnotować znaczny wzrost ze względu na rosnące zapotrzebowanie na zastosowania na dużą skalę. Gwałtowny wzrost będzie wynikał z potrzeby wychwytywania większej ilości ciepła odpadowego z dużych kapitałochłonnych gałęzi przemysłu w celu zminimalizowania zużycia energii, śladu węglowego i wydatków operacyjnych spowoduje wzrost globalnego rynku z dużych systemów pomp ciepła (rys. 1) [21].

Poniżej przedstawiamy wybrane przykłady zastosowania takich urządzeń w ogrzewaniu miast oraz w systemach przemysłowych.

Centralne systemy pomp ciepła ogrzewające całe osiedla?

Fińskie przedsiębiorstwo użyteczności publicznej o nazwie „Helen”, w 100% należące do miasta Helsinki, zbudowało Katri Vala jedną z największych na świecie elektrowni na bazie pomp ciepła do produkcji ciepła i chłodzenia (ciepło 126 MW, chłód 80 MW). Położona pod ziemią elektrownia pomp ciepła Katri Vala (rys. 2) odzyskuje ciepło odpadowe z oczyszczonych ścieków, a także nadmiar ciepła z budynków, takich jak centra danych. Jaskinia skalna dla ciepłowni została wykopana pod parkiem Katri Vala, kilka kilometrów od centrum Helsinek. Pod parkiem krzyżuje się tunel odpływowy dla oczyszczonych ścieków i tunel wielofunkcyjny. Za pośrednictwem tego systemu energia cieplna i chłodnicza wytwarzana w zakładzie jest przesyłana do odbiorców. Dzięki temu technologia jest w stanie wykorzystać energię cieplną, która w przeciwnym razie nie zostałaby wykorzystana. W 2017 roku produkcja wzrosła łącznie do 570 000 MWh, co stanowi 8% zapotrzebowania na ogrzewanie miasta. W 2021 roku zostanie uruchomiona następna, już szósta pompa ciepła, która pozwoli zwiększyć produkcję zakładu nawet o 30% w stosunku do 2017 roku. Dotychczasowa emisja dwutlenku węgla z zakładu jest o 80% mniejsza niż np. wytwarzanie ciepła przy użyciu oleju opałowego [6].

Rys. 2. Pompy ciepła do produkcji ciepła i chłodu w Helsinkach [6]

Inny przykład to bezemisyjna pompa ciepła do wody o temperaturze 90°C, zaprojektowana i opracowana przez firmę Star Refrigeration (rys. 3), ogrzewa całe skandynawskie miasto Drammen (64 000 mieszkańców) i znajdujące się w nim firmy za pomocą wody morskiej z lokalnego fiordu. Innowacja, które sprawia, że jest to pionierska technologia ogrzewania, obejmuje zastosowanie amoniaku, czynnika chłodniczego nieniszczącego warstwy ozonowej, o zerowym współczynniku ocieplenia globalnego i zdolności do nagrzewania wody do 90ºC. Komercyjne pompy ciepła wykorzystują HFC, które są gazami cieplarnianymi i ogrzewają maksymalnie wodę do 65ºC [8][9].

Rys. 3. Pompa ciepła firmy Star Refrigeration, ogrzewa całe skandynawskie miasto Drammen - Projekt ten jest największym tego typu projektem na świecie [8][9]

To że system może podgrzewać wodę do temperatury 90°C zamiast zwykłych 50°C-60°C oznacza, że może być stosowany zarówno w starych, jak i nowych budynkach. Oczywiście pompy ciepła są zeroemisyjne tylko wtedy, gdy są zasilane czystą energią elektryczną, ale są tanie, czyste pod względem emisji CO2 i lokalnego zanieczyszczenia powietrza [8][9].

Potencjał tego typu rozwiązań (pompy ciepła typu water source heat pump - WSHP) jest bardzo duży. Na przykład firma realizująca projekt oblicza, że Tamiza mogłaby wygenerować 1,25 GW mocy, co wystarczyłoby do ogrzania 500 000 domów [8][9].

Rys. 4. Pompa ciepła firmy Siemens Energy [16]

Na wiosnę 2023 roku w niemieckim mieście Mannheim nad Renem rozpoczęto budowę ogromnej pompy ciepła o długości 18 metrów i wysokości pięciu metrów, bezpośrednio na terenie elektrowni węglowej (rys. 4). Pompa ciepła będzie pobierać ciepło z rzeki przy temperaturach od 5°C zimą do 25°C (77°F) latem i dostarczać około 20 MW ciepła (moc elektryczna około 7 MW). Jest to jedna z pięciu prób terenowych na dużą skalę, dotyczących wielkoskalowych pomp ciepła w Niemczech, które wykorzystują różne źródła ciepła, takie jak odpadowe ciepło przemysłowe, energia geotermalna lub słoneczna, woda rzeczna, woda morska , otaczające powietrze i inne. Pompa ciepła w Mannheim została dostarczona przez firmę Siemens Energy i po uruchomieniu w 2023 r. będzie dostarczać ciepło do 3500 gospodarstw domowych w regionie – a w zamian pozwoli Mannheim zmniejszyć emisję CO2 o około 10 000 ton rocznie [16][18].

Dobre praktyki mamy już też w Polsce. We Wrocławiu powstanie największa w Polsce instalacja do pozyskiwania energii ze ścieków (rys. 5). Systemowa pompa ciepła pn. Wrompa to wielkoskalowa, systemowa pompa ciepła wykorzystująca ścieki nieoczyszczone, która zostanie zbudowana na terenie przepompowni ścieków Port Południe we Wrocławiu. Pompa ciepła będzie miała moc aż 12,5 MW (wymiary 14 m x 6 m x 5 m). Będzie dostarczała ciepło do systemu ciepłowniczego, a źródłem ciepła dla pompy będą ścieki z przepompowni. Proces wygląda w ten sposób, że ok. 30% ścieków komunalnych z terenu Wrocławia trafia do przepompowni ścieków Port Południe skąd są kierowane kolektorem do oczyszczalni ścieków. W instalacji zostanie zbudowany specjalny bypass, dzięki któremu część ścieków zostanie przekierowanych do instalacji pompy ciepła, gdzie odbierana z nich zostanie część energii cieplnej (ochładzamy ścieki), po czym ścieki wracają do swego naturalnego obiegu, czyli do przepompowni, a potem do oczyszczalni ścieków. Pompa ciepła zostanie połączona z systemem ciepłowniczym Fortum - siecią o długości kilometra i średnicy pół metra - dzięki czemu do mieszkańców miasta będzie trafiała zielona energia cieplna. Urządzenie pozwoli na dostarczenie do 5% rocznego zapotrzebowania klientów ciepła sieciowego w mieście. Szczytowe zapotrzebowanie na moc wrocławskiego systemu ciepłowniczego w mroźne dni (np. -18 st. C) to 1000 MW, ale kiedy temperatura jest bliska zeru, to zapotrzebowanie spada już do 600 MW, by latem osiągnąć wartość ok. 80-95 MW. To pokazuje, że pompa ciepła pracując cały rok, zarówno latem, jak i zimą, może wytworzyć proporcjonalnie dużo więcej ciepła niż wynikałoby to jedynie z prostej zależności mocowej. O ile same pompy ciepła nie są specjalnie nowatorskim pomysłem, to już skala oraz wykorzystanie jako źródła ciepła ścieków (zwłaszcza nieoczyszczonych), stanowi unikatowe rozwiązanie [12].

Rys. 5. Pomp ciepła pn. Wrompa w Wrocławiu - schemat działania [12]

Układy sieciowe potrzebują poza dużymi mocami również wyższych temperatur. Wynika to z tego że sieci ciepłownicze zmieniają się na sieci niskotemperaturowe, ale póki co większość to systemy węglowe, działające na temp 120-130 stopni Celsjusza. Dlatego pompy ciepła tam stosowane musza być odpowiednio zmodyfikowane.

Nie tylko moc, ale również temperatura – zwłaszcza w przemyśle

Układy sieciowe to max 130 stopni Celsjusza. Ale przemysł oczekuje więcej! Przemysłowa pompa ciepła, która może osiągnąć temperaturę do 180 stopni Celsjusza? To jest możliwe? Tak i poszukiwane! Pompy ciepła, których używamy do ogrzewania naszych domów i wody użytkowej, działają w temperaturach od 30 do 90 stopni Celsjusza, ale wiele procesów przemysłowych wymaga znacznie wyższych temperatur – a niektóre gałęzie przemysłu wymagają zupełnie innej technologii. Przemysł bardzo poszukuje pomp ciepła, które będą używane w różnych procesach przemysłowych, które wykorzystują parę wodną jako nośnik energii i może zmniejszyć zużycie energii w obiekcie o 40% do 70%, ponieważ umożliwia odzyskiwanie niskotemperaturowego ciepła odpadowego. Najbardziej interesującymi sektorami są obecnie sektory spożywczy, chemiczny i papierniczy. Jednakże w sektorze energii odnawialnej technologia ta może pojawiać się także w połączeniu z magazynowaniem energii ciepła [5].

Rys. 6. Pompa ciepła w zakładzie Tocircle w Norwegii [5]

W Unii Europejskiej centra przemysłowe stanowią największe źródła ciepła odpadowego. Ilość ciepła odpadowego pochodzącego z przemysłu ciężkiego w UE przekracza 267 TWh rocznie. Opisując tę liczbę bardziej obrazowo, to więcej niż ciepło wygenerowane w 2021 w Niemczech, Polsce i Szwecji sumarycznie. Jeśli weźmiemy pod uwagę jedynie źródła ciepła odpadowego o temperaturze powyżej 95°C i w promieniu 10 km od istniejącej infrastruktury ciepłowniczej, potencjał wynosi 64 TWh. Odpowiada to 12% ilości energii dostarczanej do sieci ciepłowniczych UE rocznie. Kolejnym źródłem ciepła odpadowego w Europie są centra danych i supermarkety. Ostrożne szacunki z 2020 r. pokazują, że 1269 centrów danych zlokalizowanych na terenie UE i Wielkiej Brytanii wyprodukowało w ciągu roku 95 TWh dostępnego ciepła odpadowego. Potencjał ciepła odpadowego w sektorze sprzedaży żywności w UE to 44 TWh rocznie. Dodać do tego należy również źródła miejskie. W Warszawie i innych europejskich miastach największe z tego typu źródeł mogą dostarczyć średnio 78,8% ciepła odpadowego. Potencjał ciepła odpadowego w Warszawie oszacowano na 3,8 TWh rocznie [11][12].

Jednym z coraz częściej wykorzystywanych form wykorzystania tego ciepła jest zastosowanie wielkoskalowych pomp ciepła. Co to znaczy duża pompa ciepła? 50kW, a może 100kW? Takie wartości mocy już robią na nas wrażenie. A co powiedzieć na to, że w ubiegłym roku niemiecka firma chemiczna BASF i MAN ES ogłosili zamiar budowy pompy ciepła o mocy 120 MW? Planowana na dużą skalę pompa ciepła umożliwi wytwarzanie pary przy użyciu energii elektrycznej z energii odnawialnej, wykorzystując ciepło odpadowe z systemu wody chłodzącej w firmie BASF jako źródło energii cieplnej [3][4].

Rys. 7. Pompy ciepła o rozmiarach przemysłowych są tysiąc razy większą moc niż wersje domowe. Oczywiście rozmiary też robią wrażenie [3]

Innym przykładem jest pierwsza na świecie wysokotemperaturowa pompa ciepła o mocy 8 MW, która jest obecnie budowana w Berlinie przy Potsdamer Platz, wykorzystując ciepło odpadowe z instalacji chłodniczej. W elastyczny sposób modernizuje i zasila miejską sieć ciepłowniczą w temperaturach od 85°C do 120°C. Koncepcję tę można łatwo przenieść do centrów danych dla sieci ciepłowniczych. Aby serwery i systemy IT nie przegrzewały się, centra danych muszą być chłodzone. To z kolei generuje ciepło odpadowe. Ponadto, ponieważ liczy się każda milisekunda ruchu danych, muszą one znajdować się blisko punktów wymiany Internetu, zwykle zlokalizowanych na obszarach miejskich – i tam właśnie znajdują się sieci ciepłownicze. Tak więc za pomocą pomp ciepła można zasilać systemy ciepłownicze ciepłem odpadowym centrów danych. Na przykład w centrum danych Vlab firmy Nokia w Tempere w Finlandii sześć pomp ciepła odbiera ciepło odpadowe i podgrzewa je do temperatury 95°C. Ciepło to jest następnie wprowadzane do sieci ciepłowniczej Tampere [18][19][20].

Rys. 8. Wysokotemperaturowa pompa ciepła zintegrowana z instalacją chłodniczą firmy Vattenfall przy Potsdamer Platz [19]

Podsumowanie

Reasumując. W artykule pokazaliśmy, że pompy ciepła spotkamy dzisiaj nie tylko w zakresie ogrzewania i chłodzenia naszych domów mieszkalnych. Spotykamy je również w urządzeniach nas otaczających czyli w suszarkach do prania, lodówkach i samochodach elektrycznych. Jednak poza domami mieszkalnymi i takimi małymi jednostkami budowane są coraz częściej jednostki wielkoskalowe (duża moc), sieciowe (zasilające całe sieci ciepłownicze) oraz wysokotemperaturowe - tutaj zaczynamy mówić już o temp. powyżej 100 stopni Celsjusza i więcej!.

Pompa wielkoskalowa (coraz częściej określana w literaturze jako LHP – Large Heat Pump) również pobiera energię cieplną z zewnętrznego źródła ciepła i przekazuje ją dalej. Różnica polega jednak na tym, że odbiorcami tej energii są zazwyczaj sieci ciepłownicze całych miast, które pracują w wyższych temperaturach niż systemy grzewcze w domu jednorodzinnym. Pompy wielkoskalowe należy dostosować do tych poziomów temperatur. Parametry pracy, takie jak ciśnienia, temperatury, a czasem nawet czynniki chłodnicze znacznie różnią się od pomp ciepła stosowanych w naszych domach. Pompy wielkoskalowe są w stanie wykorzystać duże, naturalne źródła ciepła (np. rzeki, woda morska) oraz odpadowe źródła ciepła przemysłowego o wysokim potencjale energetycznym przy niskim poziomie temperatur. Idea działania jest taka sama jak klasycznych pomp ciepła, ale ze względu na wymogi temp. i ciśnieniowe ich budowa czasami znacznie różni się od urządzeń klasycznych.

Rys. 9. Idea działania pomp wielkoskalowych jest najczęściej zbliżona do rozwiązań klasycznych [14]

Potencjalne zastosowania są bardzo obiecujące. Dotyczą ciepłownictwa i chłodzenia sieciowego całych osiedli. Coraz częściej zaczyna je się stosować jak pokazaliśmy w dzisiejszym artykule w celu podwyższenia efektywności energetycznej w energochłonnych procesach przemysłowych. Źródła ciepła mogą być bardzo różnorodne: wody powierzchniowe, ścieki, wody podziemne, powietrze oraz gazy spalinowe (przetwarzanie odpadów na energię, odzysk ciepła odpadowego oraz systemy fototermiczne solarne) [13][14].

Źródła:

1. Rubik M.: Chłodnictwo i pompy ciepła. Wydanie III, Grupa MEDIUM, Warszawa 2023

2. Mania T., Kawa J.: Inżynieria instalacji pomp ciepła. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego. Wydawnictwo Grafpol. Bydgoszcz 2016

3. https://www.bbc.com/news/business-65321487 (07.2023r.)

4. https://www.pv-magazine.com/2022/07/04/german-consortium-plans-to-build-worlds-largest-heat-pump/ (07.2023r.)

5. https://www.pv-magazine.com/2021/08/19/the-worlds-hottest-heat-pump/ (07.2023r.)

6. https://knowledge-hub.circle-lab.com/article/10079?n=The-largest-heat-pump-plant-in-the-world-to-produce-heat-and-cooling (07.2023r.)

7. https://www.climate-kic.org/wp-content/uploads/sites/15/2018/12/Municipality-led-circular-economy-case-studies-compressed-ilovepdf-compressed.pdf (07.2023r.)

8. https://www.bbc.com/news/business-31506073 (07.2023r.)

9. https://www.star-ref.co.uk/news/bbcs-take-on-worlds-largest-natural-district-heat-pump/ (07.2023r.)

10. https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/pompy-ciepla/136344,pompy-ciepla-w-przemysle-produkcji-i-cieplownictwie (07.2023r.)

11. https://biznes.newseria.pl/biuro-prasowe/handel/cieplo-odpadowe-to,b1897402388 (07.2023r.)

12. https://www.teraz-srodowisko.pl/aktualnosci/energia-cieplo-odpadowe-raport-Danfoss-Poland-13174.html (07.2023r.)

13. https://www.energiewendebauen.de/en/news/rhine_supplies_thermal_energy (07.2023r.)

14. https://www.turboden.com/solutions/2602/large-heat-pump (07.2023r.)

15. https://finance.yahoo.com/news/global-large-scale-natural-refrigerant-080800814.html?guccounter=1&guce_referrer=aHR0cHM6Ly93d3cuZ29vZ2xlLmNvbS8&guce_referrer_sig=AQAAAKDfiZuNOgXY9gAqvuNnL6KLW_9d96j2iDPy8CfoeBa870-ibMjcQfVhff2vRcDf3EzzHBKi46xwtiQWp8CXrcbJPRlWvaIuASTyYFwF8KY9PaVrsCa7aawZC0kzht_Soa6Eza9wCLtBX2FwvKgbvqQ9fdE9c_se9NFwonsizXx8 (07.2023r.)

16. https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/power-generation/heat-pumps.html (07.2023r.)

17. https://www.man-es.com/discover/esbjerg-heat-pump?gad=1&gclid=CjwKCAjwzJmlBhBBEiwAEJyLu6XYBxWI28AFjyMubaRJwUyyjjiBheB-a0o77p8ijJIrv8HCqczvQBoC3JMQAvD_BwE (07.2023r.)

18. https://www.powerengineeringint.com/decentralized-energy/decarbonising-heat-the-hot-topic-we-cant-ignore/ (07.2023r.)

19. https://press.siemens-energy.com/global/en/pressrelease/vattenfall-and-siemens-energy-help-advance-climate-friendly-heating-supply-berlin (07.2023r.)

20. https://assets.siemens-energy.com/siemens/assets/api/uuid:7fd9f82d-0c66-4768-aaba-a76953f79f73/SE-Euro-Heat-and-Power-May-22_original.pdf?ste_sid=eb53f4b61554ef1219edcd3a103c7ed9 (07.2023r.)

21. https://www.globenewswire.com/en/news-release/2022/04/26/2428841/0/en/Industrial-Heat-Pump-Market-revenue-to-cross-USD-1-5-Bn-by-2028-Global-Market-Insights-Inc.html (07.2023r.)

22. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032122006827 (07.2023r.)