30 MW tepla z odpadních vod, zdrojem energie je ČOV

Pod heslem „Clean 2025“ energetická společnost E.ON Sweden pracuje na ambiciózních cílech ochrany klimatu, které si stanovila už v roce 2017. E.ON Sweden si klade za cíl poskytovat svým zákazníkům 100 % zpětně získané nebo obnovitelné energie už od roku 2025 a připravila si i systém odpovídajících opatření, aby tohoto cíle dosáhla.

Pro dálkové vytápění v jižním Švédsku se společnost rozhodla pro čpavková tepelná čerpadla od firmy GEA. Spolu s využitím biomasy a dalších obnovitelných technologií věří, že dosáhne podstatného snížení emisí skleníkových plynů z vytápění. V přístavní oblasti města Malmö byla vedle čističky odpadních vod a spalovny odpadu instalována čtyři tepelná čerpadla GEA, každé s topným výkonem 10 MW, kde nyní dohromady dodávají 8 % z celkové energie, potřebné pro cca 100 000 domácností. To odpovídá roční spotřebě téměř 10 000 domácností a přispívá k úspoře emisí CO₂ ve výši přibližně 50 000 tun ročně.

Výroba elektřiny z odpadních vod

Tepelná čerpadla se rychle stávají technologií první volby pro obnovitelné dálkové vytápění a vytápění domácností, aby bylo možno splnit stále náročnější ekologické požadavky vynucované stále přísnějšími předpisy, aby se rychle a významně snížily emise CO₂ i provozní náklady.

Tepelná čerpadla provozovaná v Malmö

využívají odpadní teplo z čistírny odpadních vod a ze spalovny odpadu. Společnost E.ON se rozhodla pro využití tepla čištěné odpadní vody kvůli vyšší teplotní úrovni, kterou dodává čistička odpadních vod (14 °C), protože je teplejší než mořská voda poblíž města, která je studenější, a proto méně výhodná pro efektivní využití.

Energie v hodnotě 30 MW, která se získá z odpadní vody, se přemění na užitné teplo v síti dálkového vytápění. Tepelná čerpadla jsou propojena s blízkou spalovnou odpadu a navržena jsou na teplotu až 80 °C, ale jenom zřídka budou nucena dodávat teploty nad 71 °C.

Amoniak jako klíč k udržitelné budoucnosti

Vzhledem k tomu, že používání fluorovaných chladiv je postupně omezováno, v souladu s Nařízením EU o F-plynech, je nutno co nejvíce preferovat přírodní chladiva. Týká se to zejména čpavku, který, i když je jedovatý a hořlavý, je šetrný ke klimatu (nemá žádný vliv na globální oteplování ani poškozování ozónové vrstvy), je levný a snadno dostupný. Společnost E.ON Malmö se rozhodla jej používat namísto chladiv na chemické bázi (poznámka redakce – důvodem je spíš to, že tepelná čerpadla, pro která se společnost E.ON Malmö rozhodla, používají čpavek, protože GEA toto chladivo používá tradičně).

I když to není poprvé, co byla ve Švédsku k podobnému účelu použita tepelná čerpadla, je projekt v Malmö prvním v této zemi, který využívá přírodní chladivo čpavek.

Mats Egard, projektový manažer společnosti E.ON Värme Sverige AB, řekl: „Instalace tepelného čerpadla R134a by byla sice levnější, ale nevěříme, že toto chladivo má budoucnost, a proto preferujeme přírodní chladiva stejně jako přecházíme na 100 % obnovitelné zdroje energie. Do roku 2025 budeme dodávat energii dálkového vytápění, která bude získána buď ze znovupoužité nebo z obnovitelné energie.“

Kenneth Hoffmann, produktový manažer tepelných čerpadel ve společnosti GEA, dodal: „Přírodní chladivo čpavek je cestou k udržitelné budoucnosti.“

Srdeční záležitost

Kenneth Hoffmann objasňuje pozadí tajemství technologie tepelných čerpadel: „Doslova jsme si z toho udělali srdeční záležitost.“

Tato technologie výrazně mění dálkové vytápění i vytápění bytů (Fern- und Wohnungsheizung) a umožňuje dodávané teplo znovuzískat z odpadní nebo použité (rekuperované, znovuzískané, zurückgewonnene) energie, která bude občanům Malmö prospěšná i v budoucnu.

„Čtyři tepelná čerpadla pracují paralelně, aby zajistila potřebnou výstupní teplotu. Každé má koeficient výkonu (výkonové číslo, topný faktor, COP) vyšší než 3,5, takže z každé jedné kilowatthodiny elektřiny, kterou spotřebuje tepelné čerpadlo na svůj provoz, se vyrobí 3,5 kWh tepla,“ vysvětluje pan Hoffmann. Systém tepelného čerpadla vyžaduje komplexní analýzu požadovaných teplot a stanovení správných parametrů procesu. U tepelného čerpadla hraje roli každý teplotní stupeň a čím přesnější je prvotní návrh, tím více energie se může ušetřit. Namísto preferování potrubí malých průměrů s velkými průtokovými rychlostmi a s velkými teplotními spády, aby se pořizovací náklady stlačily na minimum, je nutno preferovat investice, které jsou založeny na maximálních denních provozních úsporách.

Větší udržitelnost

Technologie tepelného čerpadla nabízí výhodu úspor energie bez ohledu na odvětví, ve kterém je aplikována, nebo na rozsahu jejího využití. Dokáže plnit úkoly tak jednoduché, jako je vytápění a chlazení malého předměstského domku, i centrální roli v inteligentní bezemisní strategii dálkového vytápění. V zemích, kde jsou emisní požadavky méně přísné nebo kde je možné obchodování s emisními povolenkami (Emissionsrechtehandel), prosazují se tendence některých výrobců, a bohužel někdy i populistických politiků, pro zachování status quo, protože fosilní paliva jsou stále ještě levnější (zpoplatnění CO₂ ještě nezačalo působit) nebo jsou dokonce stále ještě dotována a bezemisní čistá trvale udržitelná a naléhavě potřebná řešení nejsou preferována. Aby však vůbec bylo dosaženo cílů udržitelnosti, musí se podíl využití technologií bezemisních energií, jako jsou tepelná čerpadla nebo i zapojení solární a větrné energie, do roku 2030 ztrojnásobit alespoň na více než čtvrtinu prodejů všech nových topných systémů, uvádí Mezinárodní energetická agentura (IEA).

Michael Golek, GEA Group AG, Düsseldorf

Systém tepelného čerpadla ušetří 50 000 t CO₂

Malmö využívá jako zdroj tepla odpadní vodu. E.ON, jeden z největších světových soukromých dodavatelů energie, má kromě čističky odpadních vod a spalovny odpadu v přístavní oblasti Malmö čtyři tepelná čerpadla GEA, každé s topným výkonem téměř 10 MW.

Mnoho měst chce během několika příštích let dekarbonizovat své topné systémy a snížit tak nejen emise CO₂, ale i emise oxidů dusíku a dalších zplodin v jejich bezprostředním okolí. V některých obcích již byly instalovány vysoce účinné systémy tepelných čerpadel. V této souvislosti jde sektor dálkového vytápění ve Švédsku příkladem – s nejmodernějšími technologiemi, které ustanovují nejvyšší standardy z hlediska ekologie a účinnosti.

Společnost E.ON nainstalovala vedle čističky odpadních vod a spalovny odpadu v přístavní oblasti Malmö čtyři tepelná čerpadla GEA, každé s topným výkonem téměř 10 MW. E.ON Sweden si klade za cíl do roku 2025 dodávat zákazníkům společnosti teplo vyrobené ze 100 % ze znovuzískané nebo obnovitelné energie. Intenzivní studie možností minimalizace spotřeby zemního plynu v síti dálkového vytápění v jižním Švédsku doložila, že instalace velkých tepelných čerpadel je jedním z prioritních řešení.

Systém tepelného čerpadla odebírá z odpadní vody přibližně 28 MW tepla. Energie, která dříve stékala nevyužitá do moře jako potenciálně nevyužitelné odpadní teplo, se nyní získává z upravené, vyčištěné odpadní vody předtím, než je vypuštěna do moře.

Odpadní voda je při průtoku tepelnými čerpadly ochlazována z průměrných 14 °C na cca 8 °C a získanou energii tepelná čerpadla povyšují na potřebnou teplotní úroveň, aby se mohla použít v síti dálkového vytápění.

Vyšší účinnost

Za návrhových podmínek dosahuje systém tepelného čerpadla hodnoty COP 3,5 (z 1 kWh elektřiny se vyrobí 3,5 kWh energie pro ohřátí vody). Díky tak vysoké účinnosti systému se ročně ušetří cca 50 00 tun CO₂.

Využití tepla z odpadní vody, která má vyšší průměrnou teplotu než voda mořská (Meerwasser) nebo podzemní (Grundwasser), vede k lepší účinnosti (u podzemní vody by byla horší účinnost o 10 % / u mořské vody by byla horší účinnost o 15 %).

V moři u Malmö se mořská voda ochlazuje v zimě tak, že i při použití mořské vody by byla nutná ochrana proti mrazu a vyšší teplotní spád (Temperaturhub) na výměníku tepelných čerpadel. Protože v odpadní vodě může být vždy malé množství organického materiálu, pracují výparníky se svazky trubek (Rohrbündelverdampfer) s automatickým systémem čištění trubek, který nepřetržitě čistí trubky, které jsou z nerezové oceli. To znamená, že je trvale udržována vysoká čistota teplosměnných povrchů, a tím vysoká úroveň účinnosti, a to aniž by bylo nutné zastavovat chod tepelných čerpadel.

Systém tepelného čerpadla byl integrován do sítě dálkového vytápění napřímo s blízkou spalovnou odpadu (Müllverbrennungsanlage). Vratná topná voda z města (Rücklaufwasser aus der Stadt) přichází do spalovny odpadů s teplotou kolem 50 °C, v ekonomizéru spalin (Rauchgas-Economiser) se ohřeje na cca 57 °C a v tepelných čerpadlech se přihřeje na 65 až 70 °C. Voda je následně čerpána do spalovny odpadů, kde je ohřívána na konečných 70 až 95 °C v závislosti na požadavcích dálkového zásobování teplem. Samotné tepelné čerpadlo je navrženo na teploty vody do 80 °C, v praxi se však teplota topné vody na výstupu (Heizwasservorlauf) pohybuje kolem 70 až 72 °C.

Amoniak jako chladivo

Pro optimální účinnost je v tepelných čerpadlech jako chladivo použit čpavek.

Čpavek je takzvaným přírodním chladivem a nemá žádný vliv na životní prostředí. Jeho GWP (ekvivalent globálního oteplování, ekvivalent CO₂) je nulový. S očekávanou životností systému 20 až 30 let je velmi důležité volit chladiva, která budou s největší pravděpodobností dostupná po celou dobu jeho životnosti. Rozhodnutí o instalaci čtyř stejných tepelných čerpadel používajících jako chladivo čpavek padlo po pečlivém zvážení všech parametrů. Hlavní motory pracují s konstantními otáčkami. Menší počet tepelných čerpadel, tzn. s většími topnými výkony a s většími elektromotory, by vedl k napěťovým špičkám (Spannungsspitzen) v napájecí síti. Rozdělení topného výkonu na ještě více tepelných čerpadel by už bylo ekonomicky nevýhodné. Pro optimální výkon systému jsou jednotlivé výměníky voleny selektivně a s ohledem na zajištění vysoké účinnosti systému. Instalace zahrnuje chladiče přehřáté páry a podchlazovače. Pro dosažení optimálních hodnot COP je část topné vody čerpána přes podchlazovač a smíchána s hlavním proudem před kondenzátorem. Kondenzátorem pak už prochází plný proud topné vody, který je dále ohříván teplem z chladiče oleje a z chladiče přehřáté páry (Enthitzer). Pro dosažení maximální účinnosti je teplota oleje udržována nad 70 °C. Účinnost a výkon šroubového kompresoru jsou optimalizovány pomocí ekonomizéru (Open-Flash-Economiser), kam přichází ‚plyn‘ (Flash-Gas) s teplotou 18 °C. Protože teplota kapaliny z podchlazovače je 59 °C, vznikne značné množství ‚plynu‘ (Flash-Gas) s teplotou 18 °C (ergibtsich eine beträchtliche Menge an Flash-Gas bei 18 °C).

Pro dosažení maximálního topného výkonu a pro minimalizaci ztrát pracují hlavní 10kV motory s vodním chlazením. Studená voda použitá k chlazení motorů je chlazena jako vedlejší zátěž přes ekonomizér, což zvyšuje topný výkon a hodnotu COP (topný faktor). Zároveň se minimalizuje přívod tepla do strojovny.

Tato investice ve výši 20 milionů EUR zajistí zákazníkům dálkového vytápění v Malmö v příštích 20 letech nákladově efektivní teplo s nízkými emisemi CO₂.

Kenneth Hoffmann, GEA, Berlín

(překlad Ing. Jan Bílek, šéfredaktor časopisu Chlazení)