Průmyslová vysokoteplotní tepelná čerpadla pro soustavy CZT v Evropě. Část 1/2
Zdroj: Friotherm
Vysokoteplotní kompresorová tepelná čerpadla voda-voda s různými chladivy a konfiguracemi lze použít v soustavách CZT provozovaných na teplotách mezi 60 a 120 °C. V části 1. je popsán rozvoj instalací v Evropě a současný stav vývoje zahrnující i přehled nabídky trhu.
1. Úvod
Dosavadní vývoj instalací v Evropě naznačuje, že řada sousedních států přikládá integraci vysokoteplotních tepelných čerpadel do soustav centralizovaného zásobování teplem (CZT) dlouhodobě značný význam. V rámci ČR nebyl jejich potenciál do současné doby plně využit. Zvýšený zájem o možnosti jejich využití nastává až nyní v souvislosti s probíhající energetickou krizí. Příspěvek se soustředí na vysokoteplotní kompresorová tepelná čerpadla typu voda-voda s různými chladivy a konfiguracemi pro použití v soustavách CZT provozovaných na teplotách mezi 60 a 120 °C. Cílem příspěvku je přinést čtenáři základní informativní vhled do problematiky.
2. Rozvoj instalací v Evropě
Nejvíce zkušeností s instalací kompresorových vysokoteplotních tepelných čerpadel pro sítě CZT mají severské státy, zejména Švédsko. První jednotky zde byly instalovány již v 80. letech a převážná většina z nich je stále v provozu. Po roce 2006 byla realizována řada nových projektů také v Dánsku, Finsku, Francii a Itálii. Vývoj instalací realizovaných do roku 2016 shrnuje Tab. 1. V tabulce jsou uvedeny pouze instalace, ve kterých byla použita tepelná čerpadla o výkonech 1 MWt nebo vyšších [1].
| Rok | Instalovaný výkon celkem [MWt] | Počet jednotek [ks] |
|---|---|---|
| 1981–1985 | 490 | 37 |
| 1986–1990 | 533 | 28 |
| 1991–1995 | 35 | 3 |
| 1996–2000 | 157 | 10 |
| 2001–2005 | 59 | 8 |
| 2006–2010 | 173 | 20 |
| 2010–2016 | 121 | 37 |
| Celkem | 1586 | 143 |
3. Současný stav vývoje
Výkony a zdroje tepla
Tepelné výkony v současnosti nabízených jednotek vysokoteplotních tepelných čerpadel se běžně pohybují v rozsahu od 100 kWt do 20 MWt. Vyšších výkonů je zpravidla dosahováno zapojováním dílčích jednotek do kaskád. Pro vysokoteplotní tepelná čerpadla typu voda-voda je jako zdroj energie nejčastěji využívána odpadní voda následovaná povrchovou vodou, odpadním teplem z průmyslových procesů a geotermální vodou. Tyto informace vychází z průzkumu [1] instalací vysokoteplotních kompresorových tepelných čerpadel. Průzkum zahrnoval 11 evropských zemí a celkem 149 jednotek vysokoteplotních tepelných čerpadel instalovaných v soustavách centralizovaného zásobování teplem mezi roky 1981 až 2016.
Celkový instalovaný výkon vysokoteplotních tepelných čerpadel využívajících odpadní vodu se k roku 2017 pohyboval okolo 891 MWt, což tvořilo 56 % z celkového výkonu všech vysokoteplotních tepelných čerpadel instalovaných v Evropě. Největší instalace se nachází ve Stockholmu s celkovým instalovaným výkonem 230 MWt, Goteborgu se 160 MWt, Helsinkách s 90 MWt a Oslu se 40 MWt. Teplota zdrojové odpadní vody na dosahuje na sledovaných instalacích průměrně 10-20 °C [1].
Tepelná čerpadla využívající povrchovou vodu v podobě mořských, jezerních nebo říčních vod tvořila k roku 2017 přibližně 24 % z celkového instalovaného výkonu vysokoteplotních tepelných čerpadel v Evropě. Celkem bylo instalováno více než 34 jednotek o celkovém výkonu nad 390 MWt. Teplota využívaných povrchových vod se na sledovaných instalacích pohybuje v rozsahu 2 až 15 °C [1].
Odpadní teplo z průmyslových procesů k roku 2017 využíváno na celkem 28 instalacích. Celkový instalovaný výkon tepelných čerpadel byl 129 MWt, což představovalo přibližně 8 % z celkového instalovaného výkonu všech vysokoteplotních tepelných čerpadel v Evropě. Teploty využívaného odpadního tepla se na sledovaných instalacích pohybují mezi 12 a 46 °C.
Geotermální vodu využívá jako zdroj tepla více než 19 jednotek tepelných čerpadel o celkovém instalovaném výkonu 97 MWt, což v roce 2017 představovalo přibližně 4 % z celkového instalovaného výkonu vysokoteplotních tepelných čerpadel v Evropě. Pro instalace využívající geotermální vodu je charakteristický široký rozsah teplot zdrojové vody v rozmezí od 9 °C do 55 °C [1].
Na obr. 1 je jako příklad integrace vysokoteplotního tepelného čerpadla uvedeno ideové schéma instalace realizované v Potsdamer Platz společností Siemens Energy. Tepelné čerpadlo využívá jako zdroj tepla odpadní teplo z chillerů a přečerpává jej na teplotní úroveň vhodnou pro připojenou soustavu CZT. Instalované tepelné čerpadlo má výkon 8 MWt a dosahuje průměrného provozního topného faktoru (COP) okolo hodnoty 3.
![Obr. 1 Příklad možné integrace vysokoteplotního tepelného čerpadla do soustavy CZT [2]](/docu/clanky/0247/024782o1.png)
Obr. 1 Příklad možné integrace vysokoteplotního tepelného čerpadla do soustavy CZT [2]
Kompresory a chladiva
V dosud realizovaných projektech byly nejčastěji využity jednotky s jednostupňovými šroubovými kompresory (např. jednotky společnosti Ochsner), dvoustupňovými šroubovými kompresory (např. jednotky společností GEA, Kobelco), paralelně zapojenými pístovými kompresory (např. jednotky společností Viessman a Engie) nebo dvoustupňovými turbokompresory (např. jednotky společností Friotherm a Mitsubishi). Turbokompresory se typicky používají v jednotkách o výkonech nad 10 MWt [2]. Tepelná čerpadla takto velkých výkonů jsou zpravidla stavěna na míru konkrétní zakázce a nabízí je například společnost Siemens Energy.
Na většině instalací realizovaných před rokem 2016 byla využita vysokoteplotní tepelná čerpadla pracující se syntetickými chladivy na bázi HFC (typicky R134a nebo R245fa), případně s přírodním chladivem R717 (NH3, amoniak). Chladiva ze skupiny HFC do nedávné doby představovala nejčastěji projektovaná chladiva pro průmyslová vysokoteplotní tepelná čerpadla na evropském trhu. Do budoucna lze předpokládat útlum v jejich použití z důvodu očekávaného přijetí nového dodatku k Nařízení č. 517/2014 [3]. Navržený dodatek č. 52022PC0150 [4] v případě přijetí a uvedení v platnost předpokládá výrazné omezení či úplný zákaz uvádění na trh pro zařízení obsahující chladiva s hodnotou GWP vyšší než 150.
Z tohoto důvodu směřují současné vývojové trendy k plnému nahrazení chladiv ze skupiny HFC novými chladivy na bázi hydrofluoroolefinů (HFO) a hydrochlorofluoroolefinů (HCFO). Ta dosahují řádově nižších hodnot GWP než chladiva na bázi HFC. V současné době je pro vysokoteplotní tepelná čerpadla diskutováno zejména využití chladiv R1234yf a R1234ze(E) a R1336mmz(Z) ze skupiny HFO a chladiva R1224yd(Z) ze skupiny HCFO. Z hlediska přírodních chladiv v současné době narůstá zejména počet jednotek využívajících R744 (CO2).
![Obr. 2 Dosavadní vývoj regulací v oblasti chladiv [5]](/docu/clanky/0247/024782o2.png)
Obr. 2 Dosavadní vývoj regulací v oblasti chladiv [5]
Topné faktory
V případě sériově vyráběných vysokoteplotních tepelných čerpadel uvádí výrobci katalogové hodnoty topných faktorů (dále COP) nejčastěji v závislosti na hodnotě ΔTlift . Ta se určí jako absolutní hodnota rozdílu mezi vstupní teplotou na výparník a výstupní teplotou z kondenzátoru. Řada výrobců (např. Oilon, Sabroe či GEA) má k dispozici návrhový software, který umožňuje pro vybraný model sériově vyráběného vysokoteplotního tepelného čerpadla vygenerovat celé výkonové mapy pro uživatelsky zadané provozní podmínky.
Z předchozích šetření trhu v rámci zahraničních výzkumů vyplynula křivka závislosti COP na ΔTlift pro sériově vyráběná tepelná čerpadla různých výrobců uvedená na Obr. 3.
Ze šetření vyplynulo, že katalogové hodnoty COP se průměrně pohybují okolo hodnoty 3,2 ± 0,9 při ΔTlift = 66 ± 24 K [6]. Vysoká nejistota u hodnoty ΔTlift ukazuje na nejednotné uvádění katalogových výkonových parametrů napříč jednotlivými výrobci. Při porovnávání katalogových hodnot COP od různých výrobců je nutné kromě hodnoty ΔTlift zohledňovat také to, pro jaký teplotní rozdíl na kondenzátoru je hodnota ΔTlift uvedena.
![Obr. 3 Závislost katalogových hodnot COP na ΔTlift pro různá sériově vyráběná vysokoteplotní tepelná čerpadla platné pro stav trhu k roku 2017 [6]](/docu/clanky/0247/024782o4.png)
Obr. 3 Závislost katalogových hodnot COP na ΔTlift pro různá sériově vyráběná vysokoteplotní tepelná čerpadla platné pro stav trhu k roku 2017 [6]
Topné faktory (COP) dosahované za provozu jsou silně závislé na konkrétní aplikaci, zejména na teplotní hladině zdroje tepla a na požadavku na dosahovaný teplotní rozdíl na kondenzátoru (tzn. na rozdílu mezi výstupní a vstupní teplotou otopné vody na kondenzátoru).
4. Přehled trhu
V tab. 2 uveden přehled vybraných výrobců působících na trhu s vysokoteplotními tepelnými čerpadly. Řada výrobců má v současné době zastoupení i v České republice.
| Společnost | Na trhu od | Produktová řada | Chladivo | Kompresor | Rozsah výkonů [kWt] |
|---|---|---|---|---|---|
| Fenagy | 2020 | H | R744(CO2) | Pístový | 300–1 800 |
| H.Stars | 1992 | HW-U HW-M | R1234ze(E) R134a | Šroubový | 100–1 000 |
| Nordic Heat Pump | 1992 | WH-400-H | R134a | Scroll | 100–150 |
| Viessmann | 1917 | Vitocal 353 ATH | R1234ze(E) | Pístový | 150–390 |
| Friotherm | 1942 | AY CY FY | R134a R134a nezveřejňují | Turbo | 2 000–4 000 4 000–9 000 9 000–20 000 |
| Engie | 2008 | HHR | R744(CO2) | Pístový | 60–1 000 |
| Ochsner | 1978 | IWWHS | R1233zd(E) | Šroubový | 70–600 |
| Oilon | 1961 | P S | R1234ze(E) R134a | Pístový Šroubový | 50–600 300–2 800 |
| ThermoDraft | 2021 | G | R1234ze(E) | Šroubový | 100–7 000 |
| GEA | 2010 | Red Genium Red Astrum | R717(NH3) R717(NH3) | Pístový Šroubový | 200–3 000 800–3 000 |
| JohnsonControls (Sabroe) | 1885 | DualPAC HeatPAC | R717(NH3) R717(NH3) | Pístový Pístový | 450–2 000 300–1 100 |
| Siemens Energy | 2020 | SHP-STC-XX W/S SHP-C600 | Dle zakázky | Dle zakázky | 5 000–70 000 15 000–45 000 |
5. Závěr
Vysokoteplotní tepelná čerpadla začínají být zajímavou alternativou zdrojů tepla v soustavách CZT nejen pro samotnou dodávku tepla z obnovitelných zdrojů tepla (odpadní teplo, teplo okolního prostředí), ale také jako rozhraní mezi elektrickou a tepelnou sítí v oblasti poskytování služeb výkonové flexibility elektrické síti. Ve druhé části budou představeny realizované aplikace vysokoteplotních tepelných čerpadel v Evropě.
Citovaná literatura
- A. David, B. Vad Mathiesen, A. Averfalk, S. Werner a H. Lund, “Heat Roadmap Europe: Large-Scale Electric Heat Pumps in District Heating Systems”, 2017. [Online]. Available: https://doi.org/10.3390/en10040578.
- Siemens Energy, “Industrial Heat Pumps”, 2022. [Online]. Available:
https://tavho.org/uploads/hirek/Heat%20Pump%20-%20Workshop_Siemens.pdf. - C. Arpagaus, F. Bless, M. Uhlmann, J. Schiffman a S. Bertsch, “High temperature heat pumps: Market overview, state of the art, research status, refrigerants, and application potentials”, 2018. [Online]. Available:
https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.03.166. - „Nařízení Evropského parlamentu a Rady č. 517/2014 o fluorovaných skleníkových plynech a o zrušení nařízení (ES) č. 842/2006“, 2014. [Online]. Available: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/cs/TXT/?uri=CELEX:32014R0517.
- “Proposal for a REGULATION OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL on fluorinated greenhouse gases, amending Directive (EU) 2019/1937 and repealing Regulation (EU) No 517/2014”, [Online]. Available:
https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A52022PC0150. - C. Arpagaus, “High Temperature Heat Pump using HFO and HCFO refrigerants – system design and experimental results”, 2019. [Online]. Available:
https://waermepumpe-izw.de/wp-content/uploads/2020/03/2019_09_ICR_3-3_E2_0242_Arpagaus-et-al.pdf. - C. Arpagaus, “Review on High Temperature Heat Pumps: Market Overwiev and Research Status”, 2017. [Online]. Available: https://waermepumpe-izw.de/wp-content/uploads/2020/03/2017_EHPS_07_IZW_Annex48_Arpagaus.pdf.
High-temperature water-to-water compressor heat pumps with different refrigerants and configurations can be used in district heating systems operating at temperatures between 60 and 120 °C. Part 1 describes the development of installations in Europe and the current state of development, including an overview of the market offer.