Przykładowa, przemysłowa amoniakalna pompa ciepła GEA

Wprowadzenie

W Polsce około 75% systemów ciepłowniczych opiera się na węglu, a jedynie 25% spełnia kryteria efektywnego systemu ciepłowniczego, zgodnego z wytycznymi UE. Transformacja energetyczna wymaga modernizacji systemów ciepłowniczych w kierunku zielonych źródeł energii. Jednym ze sposobów jest elektryfikacja ciepłownictwa, szczególnie dziś kiedy mamy nadprodukcję energii ze źródeł OZE

Jednym z najefektywniejszych urządzeń zasilanych energią elektryczną są sprężarkowe pompy ciepła. Wykorzystują ciepło zgromadzone m.in. w ściekach, wodzie rzecznej, cieple odpadowym z przemysłu jak i z powietrza. Niestety często oczyszczalnie ścieków, rzeki jak i przemysł są zlokalizowane z daleka od miasta i magistrali ciepłowniczej. Rozwiązaniem tego problemu mogą być powietrzne pompy ciepła które obecnie z uwagi na rozwój technologii są coraz efektywniejsze energetycznie. Powietrzne pompy ciepła (PPC) są dostępne, skalowalne i mogą pracować w układach od kilkuset kW do kilkudziesięciu MW. Przykładem jest rozwiązanie GEA – amoniakalna pompa ciepła o mocy 10 MW, zaprojektowana dla polskiego systemu ciepłowniczego.

Zalety i wady powietrznych pomp ciepła

Zalety:

• Dostępność medium – powietrze jest wszędzie.
• Ciepło dostępne przez większość sezonu grzewczego - lato CWU, zima do parametrów sieci 85 - 90⁰C
• Możliwość pracy na tym samym przyłączu energetycznym co kogeneracja.
• Praca w symbiozie z kogeneracją, w zależności od rynkowych cen prądu

Wady:

• Zmienność temperatury zewnętrznej wpływa na uzyskiwane COP pompy ciepła
• Hałas parowników powietrznych (wentylatory) zlokalizowanych poza maszynownią.
• W temp. powietrza 0-+8⁰C, gdy zwyczajowo jest duża wilgotność powietrza, występuje szronienie na zewnętrznych parownikach powietrznych zmniejszając ich sprawność

Studium przypadku – Polska, amoniakalna pompa GEA 10 MW

Parametry projektowe:

• Medium: powietrze zewnętrzne.
• Wymagana moc grzewcza: min. 10 MW.
• Temperatura oddawana do sieci ciepłowniczej: 70–77 °C.
• Temperatura powietrza gdy pracuje pompa: ≥ +5 °C.
• Wydajność: ok. 10 MW.

Tabela COP vs temperatura zewnętrzna

 Ważne: Powyżej temp. powietrza powyżej 13°C COP systemu dalej rośnie.

Pracująca amoniakalna pompa ciepła w systemie ciepłowniczym

• Drezno Niemcy – od 2024r pracuje tam pompa ciepła gdzie dolne źródło to powietrze zewnętrzne o wydajności ok. 1,1 MW, produkcji GEA (naturalny czynnik chłodniczy amoniak)
• link do strony PEC https://gesa-ingenieure.de/referenzen/energieerzeugung-und-verteilung/hkw-dresden-reick/

Sposób zabudowy powietrznych pomp ciepła, dostępne rozwiązania

Kompaktowe zabudowy kontenerowe

Charakterystyka rozwiązania: .

• Mały zakres mocy, z reguły wielkości do 2 MW
• Prosta instalacja, niestety podatna na awarie. Wystawiona na działanie czynników atmosferycznych, wrażliwa na zmienność temperatur i korozję.
• W pracy hybrydowej z innym źródłem ciepła, konieczność załączania grzałek elektrycznych tak by wygrzewać wrażliwą elektronikę. Średniorocznie znacznie to obniża uzyskiwane COP pompy, spada efektywność.
• Odszraniane parowników powietrznych w okresie zimy odbywa się zazwyczaj z przekierowania części produkowanej energii cieplnej. Pogarsza to uzyskiwane COP pompy ciepła, nie produkujemy założonych [MJ] do systemu ciepłowniczego.

Pompa ciepła jako maszynownia szyta na miarę, na bazie naturalnego czynnika chłodniczego amoniak NH3.

Przykład zabudowy maszynowni pompy ciepła w budynku. Parowniki powietrze zlokalizowane na gruncie lub dachu budynku maszynowni pompy ciepła.

Schemat instalacyjny amoniakalnej pompy ciepła produkcji GEA o mocy 10 MW..

Charakterystyka rozwiązania: .

• Dowolna moc grzewcza pompy ciepła
• Maszynownia zabudowana w budynku, brak wpływu czynników atmosferycznych (na zewnątrz wyłącznie parowniki).
• Żywotność instalacji, takie układy sprężarkowe pracują do dziś od ponad 30 lat.
• Stała produkcja ciepła [MJ] wg  przyjętej kalkulacji. Łatwo policzalna stopa zwrotu.
• Odszraniane zewnętrznych parowników powietrznych w okresie zimy, zatłaczanie pod własnym ciśnieniem (bez użycia pomp), naddatku ciekłego czynnika chłodniczego, bez utraty produkcji ciepła [MJ] do sieci

Wybór czynnika chłodniczego zastosowanego w pompie ciepła

Wybór czynnika chłodniczego to nie tylko kwestia techniczna, lecz strategiczna o długofalowych skutkach. Generalnie czynniki chłodnicze możemy podzielić na 2 grupy: syntetyczne i naturalne wspierane przez regulacje UE.

• Obowiązuje rozporządzenie unijne (UE) nr 517/2014 dotyczące emisji F-gazów, ograniczające stosowanie syntetycznych czynników chłodniczych na rzecz naturalnych m.in. amoniak, CO2, izobutan. Najnowszy raport ATMOsphere wskazuje, że stosowanie czynników syntetycznych  z grupy HFO powszechnie dziś stosowanych, – np. 1234ze i podobnych, wiąże się z poważnymi konsekwencjami zdrowotnymi i środowiskowymi. Czynniki HFO w praktyce ulegają w 100% przekształceniu do trifluorooctanu (TFA), substancji klasyfikowanej jako PFAS (tzw. „wieczne chemikalia”), które są nie usuwalne ze środowiska.
• Naturalne czynniki chłodnicze takie jak amoniak, wpisują się idealnie w hasło „zielone ciepło systemowe”. Nie wpływają na środowisko i wspierają Wasz potencjał do określania się przedsiębiorstwem przyjaznym dla otoczenia, w harmonii z naturą.

Znaczenie powietrznej pompy ciepła dla efektywnego systemu

• Spełnia wymogi UE (udział OZE w systemie).
• Redukuje emisje CO₂ i koszty eksploatacji.
• Zapewnia elastyczność – możliwość pracy w trybie szczytowym i hybrydowym w połączeniu z innymi źródłami.
• Wykorzystuje wspólny przyłącz energetyczny przypadku posiadania kogeneracji (brak dodatkowej opłaty przyłączeniowej) w ramach przydziału mocy.

Prognozy rynku do 2030 r.

Przewiduje się, że udział pomp ciepła w ciepłownictwie systemowym (na różnych źródłach) wzrośnie z obecnych 3% do ponad 25%, a moc w najbliższych latach, zainstalowana w projektach wielkoskalowych przekroczy 500 MW.

Wnioski

Wielkoskalowe powietrzne pompy ciepła to technologia, która może istotnie wspomóc transformację polskiego ciepłownictwa. Ich integracja z sieciami ciepłowniczymi i OZE oraz z termalnymi magazynami energii jest zgodna z wymogami UE i ekonomicznie uzasadniona w długim okresie.

Opracowanie: GEA Refrigeration Sp. z o.o. wymogi UE (udział OZE w systemie).
Paweł Pazder, Sales Manager, tel . +48 603 199 863