Maximálne využitie odpadového tepla, Aplikácie, Rubriky,

Niet pochýb o tom, že už jeho názov je svojrázny: Qwark3. Je to vlastne nemecká skratka pre Quartiers-Wärme-Kraft-Kälte-Kopplung, čo v preklade znamená spojenie diaľkového vykurovania, energie a chladenia. Hoci to môže znieť komplikovane, Qwark je skutočný a jednoduchý pilotný projekt na dekarbonizáciu výroby tepla priamo v srdci Berlína.

Ako spoločný projekt spoločností Vattenfall Wärme Berlin AG a Siemens Energy by mal Qwark3 dokázať, že veľké tepelné čerpadlá možno použiť na mestské diaľkové vykurovanie spôsobom, ktorý Berlínu nielen pomôže dosiahnuť cieľ uhlíkovej neutrality do roku 2050, ale prinesie aj ekonomický efekt. Ako? V podstate efektívnym využitím odpadového tepla, ktoré by inak zostalo nevyužité, spolu s elektrinou vyrobenou zo 100 % obnoviteľných zdrojov. Tepelné čerpadlo generuje teplo bez sprievodnej produkcie CO₂ pre mestskú infraštruktúru, v ktorej je zabudované. Mohol by byť Qwark3 riešením aj pre iné mestá? Spolkové ministerstvo hospodárstva a ochrany klímy Nemecka sa snaží odpovedať na túto otázku, a preto financuje pilotný projekt.

Zlepšenie účinnosti a zníženie emisií

Dekarbonizácia tepla bola vo verejnej diskusii do značnej miery ešte v nedávnej minulosti ignorovaná. Pozornosť sa sústredila najmä na výmenu starých olejových systémov a zateplenie budov, čo má len okrajový vplyv na uhlíkovú náročnosť tepelného hospodárstva. Dekarbonizácia tepla nie je naliehavá len preto, aby sa do polovice storočia dosiahli nulové čisté emisie, ale je nevyhnutná aj na dosiahnutie bezpečnosti dodávok energie v geopoliticky neistých časoch.

Projekt Qwark3 je len jedným z malých stavebných kameňov, ktorých cieľom je prispieť k ambicióznym globálnym cieľom dekarbonizácie. Dnes, keď sa väčšina krajín snaží dosiahnuť nulové čisté emisie do polovice storočia, sa očakáva, že zároveň výrazne vzrastie dopyt po energii. Cieľom EÚ je do roku 2030 zvýšiť energetickú účinnosť o 32 % a zároveň znížiť emisie o 40 %.

Akokoľvek malý sa však projekt v Berlíne môže na prvý pohľad zdať, smeruje aj k väčším veciam, z ktorých je pre dosiahnutie uhlíkovej neutrality rozhodujúca dekarbonizácia výroby tepla. Teplo dnes predstavuje približne polovicu celkovej spotreby energie v EÚ. Dve tretiny tohto tepla stále vyrábajú fosílne palivá. Zároveň sa čoraz viac elektrární na fosílne palivá, ktoré vyrábajú teplo, odpája. Dekarbonizácia sektora výroby tepla bude teda neúmyselne ústrednou súčasťou zmeny v rámci energetického priemyslu.

Zvyšovanie teploty vďaka nízkoteplotnému zdroju

Nie je prekvapením, že takýto projekt vyžaduje aj špeciálne technologické riešenia určené pre priemyselné aplikácie. Aj preto bolo za srdce celého projektu zvolené priemyselné tepelné čerpadlo. V rámci EÚ predstavuje priemysel štvrtinu spotreby energie a 20 % priamych emisií. Teplo je najvýznamnejšou energiou, keďže zhruba dve tretiny sa využívajú v sklárskom, oceliarskom, chemickom alebo papierenskom priemysle.

Tepelné čerpadlá fungujú na jednoduchom princípe: s určitým množstvom dodatočnej energie, vo väčšine prípadov elektriny, zdvihnú teplotu z nízkoteplotného zdroja tepla na využiteľnú úroveň na chladiči alebo spotrebiči. Vytvárajú teda oveľa viac tepla ako priama premena elektrickej energie na teplo.

Tepelné čerpadlá využívajú rôzne zdroje tepla

Úspešná realizácia projektu je dôkazom, ako môžu tepelné čerpadlá podporiť dekarbonizáciu. Je to dvojkrokový proces. Po prvé, zásobovanie teplom sa ekologizuje využívaním obnoviteľnej elektriny namiesto jej výroby z fosílnych palív. Po druhé, toto sektorové spojenie zelenej elektriny s teplom je oveľa efektívnejšie ako priame elektrické vykurovanie.

Táto technológia môže byť nasadená v každom prostredí, pretože tepelné čerpadlá môžu využívať rôzne zdroje tepla, ako je napr. priemyselné odpadové teplo generované chemickým závodom alebo dátovým centrom, geotermálne zdroje tepla, okolitý vzduch alebo dokonca rieky alebo more. Vyrábané teplo môže byť na druhej strane tiež použité v rôznych oblastiach, ako sú priemyselné aplikácie, diaľkové vykurovanie alebo jednotlivé budovy.

Para ako zdroj tepla na ohrev procesu

Nie je prekvapením, že práve preto sa očakáva, že tepelné čerpadlá budú v najbližších rokoch nasadzované vo veľkom meradle, čím sa pripraví pôda na dekarbonizáciu tepelného sektora. V súčasnosti sa tepelné čerpadlá v Európe využívajú najmä v menších jednotkách na vykurovanie a chladenie budov. Väčšinou sú obmedzené na teplotný rozsah pod 90 °C a očakáva sa, že sa budú používať na oveľa väčšej báze ako dnes. Napríklad Spolkové ministerstvo hospodárstva a ochrany klímy Nemecka očakáva do roku 2030 približne 5,5 milióna inštalovaných tepelných čerpadiel väčšinou pre jednotlivé budovy s celkovým inštalovaným výkonom približne 33 TWh v porovnaní so 7 TWh v súčasnosti.

Nedávny vývoj najmä v oblasti nových chladiacich zmesí však umožnil nové aplikácie tepelných čerpadiel s teplotou až okolo 150 °C. Nazývajú sa vysokoteplotné tepelné čerpadlá. Môžu pomôcť priemyslu zachytiť odpadové teplo a opätovne ho použiť na výrobu horúcej vody alebo pary na ohrev procesu. Pri výrobe pary môže byť tento teplotný limit ešte ďalej posunutý, napr. aplikáciou kompresie pary. Tieto tepelné čerpadlá možno použiť aj na diaľkové vykurovanie alebo efektívne zvýšenie nízkoteplotnej úrovne dostupných zdrojov tepla na teplotnú úroveň potrebnú na diaľkové vykurovanie.

Uspokojenie dopytu siete diaľkového vykurovania

Tu prichádza na scénu Qwark3. Veľké tepelné čerpadlo Siemens Energy na Potsdamer Platz už v súčasnosti veľmi efektívne využíva odpadové teplo a dodáva ho do mestskej siete diaľkového vykurovania. Odkiaľ sa však berie odpadové teplo v Berlíne, kde sa nenachádza klasický priemyselný závod?

Od roku 1997 dodáva chladiace centrum Vattenfall Wärme Berlin v blízkosti Potsdamer Platz chladenie do približne 12 000 kancelárií, 1 000 bytových jednotiek a mnohých kultúrnych inštitúcií v tejto časti mesta. Pri tom produkuje značné množstvo odpadového tepla, ktoré sa doteraz odvádzalo do vzduchu cez chladiace veže. No inštaláciou vysokoteplotného tepelného čerpadla s tepelným výkonom až 8 MW sa toto odpadové teplo zúročí. Veľkokapacitné tepelné čerpadlo flexibilne dodáva teplo medzi 85 a 120 °C, a to podľa dopytu v sieti centrálneho zásobovania teplom.

Komplexné riešenia na kľúč

Teplo by malo predstavovať približne 55 GWh ročne s odhadovanou ročnou úsporou cca 6 500 t emisií CO₂ a 120 000 m³ chladiacej vody. Je to výhodná situácia pre všetky zúčastnené strany, pretože zlepšuje účinnosť chladiacej stanice a zároveň poskytuje Berlínu zelené teplo z obnoviteľnej elektriny. Navyše je to jedna z prvých skúšok pre takéto veľké vysokoteplotné tepelné čerpadlá v reálnych podmienkach.

Siemens Energy má v tejto oblasti rozsiahle know-how, aby dodal tento druh riešenia. V oblasti priemyselných tepelných čerpadiel spoločnosť ponúka riešenia s tepelným výkonom až 70 MW z jedného bloku. Siemens Energy má skúsenosti aj s mnohými veľkými tepelnými čerpadlami inštalovanými v 80. a 90. rokoch 20. storočia, najmä v škandinávskych krajinách. Navyše projekty tohto typu realizované Siemens Energy presahujú obyčajnú dodávku hardvéru, nakoľko spoločnosť ponúka komplexné riešenia na kľúč od koncepčného návrhu až po inštaláciu, uvedenie do prevádzky a údržbu veľkých tepelných čerpadiel.

Čistá úspora emisií CO₂

Berlín je prvým mestom v Nemecku, ktoré zažilo takýto vzrušujúci pilotný projekt. Avšak už teraz majú aj ďalšie mestá v pláne presadzovať priemyselné vysokoteplotné tepelné čerpadlá na diaľkové vykurovanie. V roku 2022 bolo naplánovaných v Nemecku niekoľko veľkých projektov tepelných čerpadiel, ktoré majú slúžiť ako zdroj pre systémy diaľkového vykurovania s teplotou pod 100 °C. Okrem toho sa vytvárajú silné partnerstvá s cieľom ísť nad rámec diaľkového vykurovania. Napríklad chemický gigant BASF spolupracuje so spoločnosťou Siemens Energy s cieľom zistiť, ako možno použiť vysokoteplotné tepelné čerpadlá na dekarbonizáciu výroby procesného tepla v ich sídle v Ludwigshafene v Nemecku. V dátovom centre Vlab spoločnosti Nokia v Tampere vo Fínsku odoberá šesť tepelných čerpadiel odpadové teplo a zvyšuje ho na teplotu 95 °C. Toto teplo sa potom dodáva do systému diaľkového vykurovania Tampere.

Ak vezmeme toto všetko do úvahy, nemôžeme prehliadnuť, ako sa tento model používania veľkých vysokoteplotných tepelných čerpadiel môže, resp. mal by sa široko prijať. Ako pri každej zmene, aj tu samozrejme existujú niektoré otázky či výhrady. Dopyt po diaľkovom vykurovaní je neprekvapivo vyšší v zime a nižší v lete. Na vyváženie takéhoto dopytu sú možné rôzne riešenia. Napríklad možno zvážiť prepojenie diaľkového vykurovania so stabilnejším dopytom po priemyselnom teple (čo je možné vďaka vysokoteplotným tepelným čerpadlám) alebo akumulácie, aby sa zosúladila dodávka tepla s dopytom. Bez ohľadu na tieto faktory je v prípade Berlína a iných pilotných projektov čistá úspora emisií CO₂ stále dostatočne vysoká na to, aby sa vynaložené úsilie a investície stali rentabilnými. Na základe výpočtov bude aj tento projekt v priebehu niekoľkých rokov ziskový.

Tepelné čerpadlá sa amortizujú v priebehu niekoľkých rokov

Ďalší dôležitý fakt, ktorý treba zobrať do úvahy, je, že ak sa podľa očakávania nainštaluje viac tepelných čerpadiel, veľkých aj malých, celkový dopyt po elektrine sa zvýši. To by určite predstavovalo trojnásobnú výzvu. Po prvé: energia by mala pochádzať z obnoviteľných zdrojov, aby sa zabezpečil potrebný posun smerom k dekarbonizácii tepla. Po druhé: keďže obnoviteľné zdroje energie sú zdroje s nestabilnou a nepredvídateľnou dodávkou energie, treba na zabezpečenie stabilnej dodávky inštalovať aj riešenia na skladovanie energie, ako aj elektrárne spaľujúce čisté palivá. Po tretie: keďže sa spotrebuje viac elektriny, musia byť zavedené služby riešiace stabilitu siete, ako napr. hardvérové a softvérové stabilizátory siete alebo inteligentné ovládacie prvky na distribúciu energie.

V súčasnosti sú vysokoteplotné tepelné čerpadlá pre výkonovo väčšie aplikácie stále v ekonomickej nevýhode v porovnaní s tradičnými plynovými systémami. Dá sa však očakávať, že sa to zmení najmä s rastúcimi poplatkami za generovanie emisií CO₂. No to nie je jediný dostupný nástroj. Napríklad v Nemecku treba skoncovať s príplatkom pre odberateľov elektriny. Hoci sa príplatky pôvodne zaviedli s cieľom financovania výroby elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov, čoskoro by sa od tohto modelu mohlo upustiť, pretože sa očakáva, že tepelné čerpadlá sa budú amortizovať v priebehu niekoľkých rokov.

Smerovanie k dekarbonizovanej budúcnosti

Qwark3 toho v podstate ponúka naozaj veľa. Ako model pre budúcnosť ukazuje, ako môžu veľké tepelné čerpadlá minimalizovať plytvanie teplom a jeho odvádzanie do okolitého prostredia a tým v konečnom dôsledku zvýšiť celkovú účinnosť celého systému. Projekt umiestnený na Potsdamer Platz okrem iného ukazuje, že vysokoteplotné tepelné čerpadlá umožňujú aj inteligentnú integráciu vykurovania a chladenia. A najlepšie na tomto projekte je, že je to len jeden z mnohých spôsobov, ako môžu priemyselné tepelné čerpadlá pomôcť posunúť našu spoločnosť smerom k dekarbonizovanej budúcnosti.

Pozrite si podrobnosti projektu, v rámci ktorého bolo využité veľké priemyselné tepelné čerpadlo na diaľkové vykurovanie v Berlíne.

Zdroje obrázkov: Siemens Energy a Vattenfall Wärme Berlin