Dlaczego obserwujemy fenomen rozwoju rynku pomp ciepła?

Światowy rynek pomp ciepła

Globalny Rynek Pomp Ciepła został oszacowany na ponad 6 mld USD w 2020 r. i oczekuje się, że do 2026 r. osiągnie blisko 10 mld USD, odnotowując CAGR na poziomie 9,5% w okresie prognozy (2021-2026) [9].

Światowymi Patentami branży pomp ciepła są United Technologies Corporation (Carrier Corporation), Daikin Industries Ltd., NIBE Industrier AB, Viessmann Group, Ingersoll-Rand PLC, Stiebel Eltron GmbH & Co. KG, Robert Bosch GmbH (Bosch Thermotechnology Corporation), Panasonic Corporation, Mitsubishi Electric Corporation oraz The Glen Dimplex Group [1].

W 2020 r. na świecie do ogrzewania wykorzystano prawie 180 milionów pomp ciepła, ponieważ światowe zapasy rosły o prawie 10% rocznie w ciągu ostatnich 5 lat. Chociaż niektóre są jednostkami odwracalnymi, które tylko częściowo pokrywają potrzeby w zakresie ogrzewania pomieszczeń i wody, wzrost jest widoczny na wszystkich głównych rynkach grzewczych – w Ameryce Północnej, Europie i Azji Północnej. Pompy ciepła stały się najpowszechniejszą technologią w nowo budowanych domach w wielu krajach, ale nadal zaspokajają zaledwie 7% światowego zapotrzebowania na ogrzewanie budynków [6][7][8][9][10].

Rys. Rozwój sprzedaży pomp ciepła na świecie [6]

Mimo że większość pomp ciepła jest instalowana w nowych budynkach powoli pompy ciepłą pojawiają się też w obiektach termodernizowanych. W wielu krajach pompy ciepła mają największy udział w rynku spośród wszystkich technologii grzewczych w nowo budowanych domach. Na przykład w Stanach Zjednoczonych udział sprzedaży pomp ciepła dla nowo budowanych budynków przekracza 40% dla domów jednorodzinnych i jest blisko 50% dla nowych budynków wielorodzinnych [6].

Pomimo trudnego otoczenia rynkowego (okres pandemii), sprzedaż pomp ciepła w Europie wzrosła o +7,4% w 2020 r. w odniesieniu do 2019 roku. W Europie sprzedano 1,62 mln sztuk, co oznacza nowy europejski rekord! Zakładając oczekiwaną długość życia tych urządzeń na ok. 20 lat, obecne europejskie zasoby pomp ciepła wynoszą ponad 13 milionów sztuk z tych jednostek. Patrząc na to z perspektywy około 115-120 milionów budynków mieszkalnych w Europie, udział w rynku pomp ciepła w zasobach budowlanych wynosi około 8-9 % [7][8].

Rys. Rozwój sprzedaży pomp ciepła wg typów w Europie w ostatnich latach [7][8]

Rys. Rozwój sprzedaży pomp ciepłą w Polsce w latach 2010-2021 [Źródło PORT PC]

87% wolumenu europejskiego rynku pomp ciepła sprzedano tylko w dziesięciu krajach. Ewenementem jest tutaj rynek polski, który może stać się jednym z liderujących rynków w Europie. Rok 2021 może stać się tutaj przełomowy gdzie przewiduje się udział urządzeń grzewczych w nowych domach nawet na poziomie 20%. To da Polsce być może 3-4 miejsce w Europie pod względem sprzedaży pomp ciepła w ciągu roku. Jaka to jest ilościowa zmiana daje pojęcie fakt, że w 2020 roku Polska była dopiero 6-stym rynkiem sprzedażowym [6][7][8][9].

W Europie w 2020 r. zainstalowano pompy ciepła o mocy cieplnej 14,24 GW, produkujące ok. 2 tys. 27,11 TWh energii użytkowej i włączenie 16,92 TWh odnawialnych źródeł energii do ogrzewania i chłodzenia przy jednoczesnym uniknięciu 4,31 Mt emisji ekwiwalentu CO₂. Aby wytworzyć wielkość sprzedaży w 2020 r. i utrzymać zainstalowane jednostki (serwis), potrzebne było łącznie w Europie blisko 90 000 etatów. Oczywiście realne zatrudnienie związane z rynkiem pomp ciepła jest większe, ponieważ nie wszyscy pracownicy pracują w pełnym wymiarze godzin tylko na pompach ciepła [10][11][12].

Zasada działania pomp ciepła

Proces termodynamiczny zachodzący w pompie ciepła typu powietrze/woda czyli urządzeniu przenoszącym energię z dolnego źródła na wyższy poziom do górnego źródła ciepła w rzeczywistości jest bardzo prosty i najlepiej można go opisać w kilku prostych krokach [1][2][3]:

1. Wentylator zasysa powietrze (tzw. Dolne Źródło Ciepła) zewnętrzne i wykorzystując to darmowe ciepło ogrzewa parownik (wymiennik ciepła) powodując podgrzewanie i parowanie czynnika termodynamicznego. Temperatura tego powietrza jest zawsze wyższa niż temperatura czynnika chłodniczego, który paruje nawet w temperaturze poniżej zera.

2. Sprężarka zasilana energią elektryczną spręża wytworzone pary gazów w parowniku w celu podwyższenia ich temperatury. Po opuszczeniu sprężarki pary te mają ciśnienie około 40 barów, co jest równoznaczne z podniesieniem ich temperatury do około +70°C. Para o tej temperaturze oddaje ciepło w drugim wymienniku ciepła do wody obiegu grzewczego.

Rys. idea działania pompy ciepła typu powietrze/woda

3. Za sprężarką w tzw. skraplaczu, pary gazów o wysokiej temperaturze oddają ciepło w drugim wymienniku ciepła do tzw. Górnego Źródła Ciepła w którym funkcjonuje woda ogrzewająca układ grzania podłogowego (lub klasyczny system grzejnikowy) oraz system c.w.u. Czynnik termodynamiczny oddając ciepło skrapla się po obniżeniu temperatury.

4. Za skraplaczem znajduje się zawór rozprężny. Wskutek spadku ciśnienia za zaworem do kilku barów spada również temperatura do stanu wyjściowego nawet do temperatury ujemnej, gdzie powtarza się proces z punktu nr 1.

Pompę ciepła podaje się bardzo często jako alternatywę dla ogrzewania gazowego, olejowego czy elektrycznego. Niskie koszty eksploatacji to główny czynnik zapewniający atrakcyjność takiego sposobu ogrzewania. Przeciętnie pompa ciepła, która zużywa 1 kWh energii elektrycznej do zasilania sprężarki dostarcza 4 kWh ciepła do Górnego Źródła Ciepła. Poza niewątpliwymi zaletami pomp ciepła w postaci ich ekologiczności, długiego czasu eksploatacji warto zdawać sobie sprawę z ich ograniczeń i wad. Można zaliczyć do nich [2][3][7][13]:

• Główną wadą pompy ciepła są wysokie koszty jej zakupu i instalacji. Należy też pamiętać, że ta inwestycja zwraca się dopiero po 8-10 latach. Problem ten jednak niwelują dotacje, które można otrzymać na zakup pomp ciepła.

• Kolejną wadą pompy ciepła jest uzależnienie jej działania od energii elektrycznej. W przypadku zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej praca pompy nie jest możliwa. Oczywiście jest to cech względna bo w zasadzie każdy system ogrzewania łącznie z gazowym, czy kominkiem wymaga energii elektrycznej (pompy obiegowe, sterowanie itp.).

• Pompy typu powietrze/woda emitują pewien poziom hałasu, który może okazać się uciążliwy dla domowników. Problem da się jednak rozwiązać dzięki odpowiedniemu montażowi pompy ciepła albo zastosowaniu specjalnych izolacji dźwiękochłonnych.

• Systemu ogrzewania oparty na pompę ciepła charakteryzuje spora bezwładność. Nie da się pompy ciepła włączyć i nagrzać mieszkanie w pół godziny, tak jak to jest przy ogrzewaniu gazowym. Cecha wynikająca z idei działania tego urządzenia. Pompa ciepła aby pracować efektywnie (tanio) wymaga dużej powierzchni oddawania ciepła, aby pracować w korzystnym układzie jak najmniejszej różnicy temperatury pomiędzy górnym, a dolnym źródłem ciepła.

Dlaczego obserwujemy fenomen rozwoju rynku pomp ciepła?

Unia Europejska przedstawiła swoją strategię integracji sektorowej. Dokument przewiduje, że w 2030 roku 40% wszystkich budynków mieszkalnych i 65% wszystkich budynków komercyjnych będzie ogrzewane energią elektryczną. Ponieważ pierwsza zasada efektywności energetycznej nadal obowiązuje, oznacza to, że większość tych budynków będzie ogrzewana i chłodzona przez systemy pomp ciepła. Na rozwój rynku pomp ciepła wpływają głównie cztery czynniki rozwojowe [6][7][8]:

1. Z punktu widzenia technologii dzisiejsza pompa ciepła może obejmować szerszy zakres temperatur. Nadal pracują w temperaturze -25 stopni Celsjusza i coraz częściej w wydajny sposób dostarczają ciepłą wodę o temperaturze 65 stopni Celsjusza. Umożliwia to ich zastosowanie w znacznie większym udziale budynków niż dekadę temu. Systemy hybrydowe umożliwiają pompy ciepła nawet w segmencie remontowym.

2. Konieczność przyspieszenia transformacji energetycznej również w sektorze ogrzewania i chłodzenia sprawia, że pompy ciepła znajdują się w centrum uwagi decydentów. Ustawodawstwo uchwalone w ciągu ostatnich 8 lat jest obecnie transponowane we wszystkich państwach członkowskich i zaczyna wywierać wpływ na rozwój rynku pomp ciepła. Normy budowlane ograniczają maksymalne zapotrzebowanie na ciepło na m2, nakazują integrację energii odnawialnej i faworyzują inteligentne budynki. Świadczą o tym ostatnie dotacje instytucjonalne i finansowe, ułatwiające rozwój rynku pomp ciepła.

3. Ciągle większa i rosnąca liczba sprzedaży skutkuje niższymi kosztami. Ekonomia skali materializuje się na poziomie komponentu i produktu. Szybki spadek kosztów produkcji systemów PV wpływa również na rynek grzewczy: wykorzystanie własnej produkcji energii elektrycznej w połączeniu z systemem pomp ciepła zapewnia bardzo tanie źródło energii dla budynków. Dodatkowe korzyści, takie jak możliwość magazynowanie energii sieciowej w mln sztuk pomp ciepłą w Europie (pomp ciepła smart grid ready) staną się modelem biznesowym bilansowania sieci.

4. Konkurencyjna rywalizacja na światowym rynku pomp ciepła jest wysoka ze względu na obecność kilku głównych bardzo dużych graczy, takich jak między innymi Mitsubishi Electric, Daikin, Panasonic, NIBE, Bosch czy Viessmann. Ich zdolność do ciągłego wprowadzania innowacji w swojej ofercie (nowe technologie) umożliwiła im uzyskanie przewagi konkurencyjnej nad innymi firmami na rynku. Dzięki działaniom badawczo-rozwojowym, fuzjom i przejęciom potentaci ci spowodowali, że pompy ciepła są coraz doskonalsze.

Podsumowanie

Pompy ciepła uznawane są za odnawialne źródła energii, ponieważ znaczną część ciepła dostarczanego do budynków czerpią z otoczenia. Są tanie w eksploatacji – dostarczają więcej ciepła niż zużywają prądu. Wydajność pomp ciepła jest od 2 do nawet 5 razy większa niż ich pobór energii elektrycznej.

Branża pomp ciepła wielokrotnie ponawiała apel do decydentów w Komisji Europejskiej i państwach członkowskich o wsparcie technologii pomp ciepła. Zdaje się, że te działania przynoszą skutek. Korzyści płynące z pomp ciepła sprawiają, że ta technologia jest głównym kandydatem do odgrywania centralnej roli w zrównoważonym europejskim systemie energetycznym.

Pompy ciepła sprzedane w ciągu ostatnich dwudziestu lat w Europie przyczyniły się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych o 41,07 mln ton (na podstawie [7]). W pompach ciepła w Europie tkwi ogromny niewykorzystany potencjał zmniejszenia zapotrzebowania Europy na energię do ogrzewania, chłodzenia i produkcji ciepłej wody. Jednak osiągnięcie planów dekarbonizacji do 2030 r. wymagałoby rocznego 15% tempa wzrostu pomp ciepła (zatem podwojenia sprzedaży) i ogromnego wysiłku w odniesieniu do warunków ramowych, wymagań dotyczących energooszczędności budynków oraz podnoszenia kwalifikacji projektantów i instalatorów.

Pompy ciepłą są gotowe na dekarbonizację ciepła w systemach energetycznych przyszłości. Doskonale integrują się z systemami wytwórczymi opartymi o PV czy też innymi układami opartymi o Elektromobilność.

Rys. Pompy ciepłą są gotowe na dekarbonizację ciepła w systemach energetycznych przyszłości [Źródło: BWP/PORT PC

Źródła

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

2. Rubik M.: Chłodnictwo i pompy ciepła, Grupa Medium 2020

3. Zalewski W.: Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne. Podstawy teoretyczne. Przykłady obliczeniowe. Masta, 2014

4. Brodowicz K., Dyakowski T.: Pompy Ciepła, PWN, Warszawa 1990

5. Oszczak W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła, WKŁ 2015

6. https://www.iea.org/reports/heat-pumps

7. https://www.rehva.eu/rehva-journal/chapter/european-heat-pump-market

8. https://www.ehpa.org/market-data/market-report-2021/

9. https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/heat-pumps-market

10. https://www.businesswire.com/news/home/20170523006117/en/Global-Air-Source-Heat-Pump-Market-to-Post-a-CAGR-of-Almost-11-Through-2021---Technavio

11. https://www.beuc.eu/publications/beuc-x-2021-112_goodbye_gas_why_your_next_boiler_should_be_a_heat_pump.pdf

12. EUROBSERV’ER – 2020 - HEAT PUMPS BAROMETER - www.eurobserv-er.org/heat-pumps-barometer-2020/

13. https://www.theecoexperts.co.uk/air-source-heat-pumps/reviews