Gaz w pompach ciepła

Wbrew powszechnej dezinformacji, uchwalone do dziś unijne regulacje nie eliminują z miksu grzewczego paliw gazowych, lecz promują ich integrację z odnawialnymi źródłami ciepła. Gazowe Absorpcyjne Pompy Ciepła (GAHP) to rozwiązanie stworzone do modernizacji i zasilania obiektów użyteczności publicznej - w tym obiektów kultu i administracyjnych - budynków wielorodzinnych oraz instalacji przemysłowych, dla których priorytetem jest długoterminowa stabilność operacyjna i obniżenie kosztów eksploatacji.

Gazowe pompy absorpcyjne, w przeciwieństwie do tradycyjnych pomp elektrycznych (EHP) eliminują potrzebę wykorzystania energochłonnej sprężarki elektrycznej. Zamiast niej GAHP wykorzystuje mechanizm spalania gazu (ziemnego, LPG, biometanu) do napędzania obiegu absorpcyjnego (najczęściej roztwór amoniak–woda).

Termodynamiczna absorbcja (amoniak-woda)

Kluczowa wobec pomp sprężarkowych różnica cyklu absorpcyjnego polega na zastąpieniu procesu sprężania mechanicznego dwoma etapami: generacją i absorpcją. Cykl ten opiera się na absorpcji czynnika chłodniczego (zwykle amoniaku) przez medium transportowe (wodę).

Proces rozpoczyna się w generatorze, który jest zasilany energią cieplną pochodzącą ze spalania gazu (w tym LPG). Dostarczone ciepło powoduje separację czynnika chłodniczego od wody. Amoniak po kondensacji i redukcji ciśnienia trafia do parownika, gdzie pochłania ciepło z otoczenia (powietrza, gruntu lub wody), stanowiące odnawialny wkład energetyczny systemu. Następnie, w fazie absorpcji, amoniak łączy się z powrotem z wodą w silnie egzotermicznej reakcji chemicznej. To właśnie to chemiczne i fizyczne połączenie związków, uwalnia znaczącą ilość ciepła do obiegu grzewczego.

GAHP potrzebują trzech źródeł energii, aby uruchomić cykl absorpcyjny i przenieść ciepło ze źródła ciepła do radiatora:

1. Odnawialne źródło ciepła w środowisku: Wszystkie pompy ciepła wymagają źródła ciepła do działania. Ciepło to można pozyskać z otaczającego powietrza, źródła wody lub gruntu.
2. Ciepło spalania: generator przenosi roztwór amoniaku i wody, który jest separowany dzięki energii cieplnej ze spalania gazu ziemnego, LPG lub gazów odnawialnych. Absorpcyjne pompy ciepła mogą wychwytywać dodatkowe ciepło z procesu spalania. Poprawia to ogólną wydajność systemu i sprawia, że działają
   skutecznie w chłodniejszym klimacie i są mniej podatne na niskie temperatury, niż pompy sprężarkowe.
3. Energia elektryczna: Cykl absorpcyjny nie wymaga pracy sprężarek. Zamiast tego, czynnik chłodniczy krąży między parownikiem a skraplaczem za pomocą absorbera, pompy i generatora. Ponieważ pompowana jest ciecz, a nie para, energia elektryczna wymagana do pompowania w systemach absorpcyjnych jest minimalna.

Cykle absorpcyjny pozwala na osiągnięcie wysokiej efektywności i niewielkiej wrażliwości GAHP na niskie temperatury. Co ważne, jako naturalny czynnik chłodniczy, wykorzystywany w GAHP amoniak jest wyłączony z rygorystycznych ograniczeń, którym podlegają związki fluoru (F-gazy), wykazujące bardzo silne oddziaływanie cieplarniane i uszkadzające warstwę ozonową Ziemi.

Minimalny pobór energii elektrycznej

Inaczej, niż w przypadku pomp sprężarkowych, zapotrzebowanie GAHP na energię elektryczną jest zredukowane do minimum - jedynie do zasilania pomp roztworu i pomp obiegowych.

Ta minimalna zależność od sieci elektrycznej ma znaczenie wszędzie, gdzie występują ograniczenia w przyłączach energii elektrycznej.‍

• ‍Odporność infrastrukturalna: pompy absorpcyjne zmniejszają wrażliwość na ewentualne awarie zasilania oraz pozwalają uniknąć konieczności zwiększenia przydziału mocy elektrycznej, co bywa problematyczne dla części budynków - np. starszych kościołów na obszarach dużego obciążenia sieci elektroenergetycznej.‍
• Redukcja zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej: współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej (w_i) do produkcji energii elektrycznej jest w Polsce stosunkowo wysoki, a minimalne zużycie prądu przez GAHP pozwala na redukcję jej poboru.
• Ciepło technologiczne w przemyśle: dziś w pochodzi głównie ze spalania paliw kopalnych, więc aby zmniejszyć swój ślad węglowy, przemysł musi korzystać z zrównoważonych źródeł ciepła. Perspektywa zastąpienia paliw kopalnych spalaniem wodoru jest dziś ekonomicznie nierealistyczna. W tym kontekście pompy ciepła oparte na absorpcji mogą stanowić realne rozwiązanie pozwalające ograniczyć wpływ zużycia ciepła przemysłowego na środowisko.

Pompy absorpcyjne, zaprojektowane do montażu na zewnątrz budynków, są przystosowane do pracy zarówno na gazie ziemnym, jak i gazie płynnym. Zapewnia to elastyczność w zastosowaniach w lokalizacjach oddalonych od infrastruktury gazu ziemnego. Modele powietrze/woda (GAHP-A) są zdolne do pracy w szerokim zakresie temperatur, nawet przy -30°C, gwarantując ciągłość dostaw ciepła w każdych warunkach.

Parametry techniczne

Zaletą GAHP przy modernizacji dużych obiektów, w tym budynków historycznych i przemysłowych, jest ich wysoka sprawność oraz zdolność do generowania wysokiej temperatury zasilania. Ogranicza to zakres koniecznego dostosowywania istniejących już instalacji w porównaniu do niskotemperaturowych pomp sprężarkowych.

GAHP zwykle zapewniając sezonową sprawność rzędu 110–130% (SCOP 1,1–1,3) względem energii chemicznej paliwa. W porównaniu z kondensacyjnym kotłem gazowym (ok. 90–95% sprawności) oraz pompami elektrycznymi (SCOP 2,5 i więcej), pompy gazowe plasują się pośrodku.

• Wysoka sprawność sezonowa: pompy absorpcyjne charakteryzują się wysokim współczynnikiem wykorzystania gazu brutto, który jest miarą ogólnej sprawności termicznej. Urządzenia te osiągają sprawność cieplną na poziomie przekraczającym 160%. Pompy ciepła typu absorpcyjno-kompresyjnego amoniak/woda mają maksymalną temperaturę zasilania ciepłem wynoszącą 160 °C i wzrost temperatury do 110 °C przy współczynniku wydajności elektrycznej (COP) wynoszącym 2,7–7,3.
• Generacja wysokiej temperatury: wiele starszych budynków posiada instalacje grzewcze, które zostały zaprojektowane do pracy z wysokimi temperaturami zasilania (powyżej 60°C), typowymi dla tradycyjnych kotłów grzewczych. Standardowe sprężarkowe pompy ciepła, pracujące efektywnie przy niższych temperaturach, wymagają zwykle wymiany lub powiększenia grzejników. GAHP eliminują tę konieczność. Podobna sytuacja ma miejsce w zastosowaniach przemysłowych, gdzie często wymagane są wysokie temperatury. Zdolność wytwarzania wysokich temperatur sprawia, że GAHP są łatwym we wdrożeniu rozwiązaniem, zapewniając szybki zwrot z inwestycji poprzez kompatybilność z istniejącą już infrastrukturą.

Systemy GAHP są wysoce skalowalne. Dla obiektów o dużej mocy grzewczej mogą być zestawiane w kaskady, które pozwalają na połączenie kilku urządzeń jednocześnie, co może budzić szczególne zainteresowanie przemysłu.

‍

‍

GAHP i paliwa odnawialne

Gazowe pompy absorpcyjne są urządzeniami gotowymi do wykorzystania gazów odnawialnych. Mogą wykorzystywać kompatybilne z BioLPG czy biometan. BioLPG jest chemicznym odpowiednikiem kopalnego gazu płynnego pochodzącym ze źródeł odnawialnych, więc zmiana paliwa nie wymaga żadnych modyfikacji w urządzeniach ani w infrastrukturze magazynowania. W przypadku wielu producentów możliwe jest też zastosowanie bez modernizacji urządzenia domieszki do 20% wodoru. W ten sposób, po wdrożeniu pompy absorpcyjnej zasilanej gazem płynnym, można docelowo zmienić źródło ciepła na w pełni odnawialne, zmieniając jedynie wykorzystywany produkt.

Pompy absorpcyjne będą mogły być wykorzystywane w budynkach zeroemisyjnych po roku 2030 i podlegają dofinansowaniu z programu Czyste Powietrze pod warunkiem, że konkretne urządzenia znajdują się na liście ZUM.

Zastosowanie

Wykorzystywane są zarówno układy monowalentne, gdzie pompy absorpcyjne są jedynym źródłem ciepła, jak i układy biwalentne, w których GAHP współpracuje z kondensacyjnymi kotłami gazowymi pełniącymi funkcję źródła szczytowego. Oba urządzenia korzystają wtedy z tego samego paliwa, co upraszcza kwestie logistyczne.

GAHP są już stosowane w hotelach, domach opieki, większych budynkach usługowych i w systemach c.w.u. o ciągłym obciążeniu; przykładowe pilotaże pokazują, że przy sprawności ~113% dla GHP całkowita sprawność systemu (GHP + kocioł) dochodzi do ok. 90%. Przy zastępowaniu kotłów kondensacyjnych o sprawności ok. 90% oszczędność gazu wynosi typowo 15–30%, a redukcja emisji CO₂ ok. 20–30%, zależnie od udziału GAHP w pokryciu obciążenia.

W przemyśle GAHP mogą pracować jako średniotemperaturowe pompy ciepła (zasilanie ogrzewania niskotemperaturowego, podgrzew wody procesowej, rekuperacja ciepła odpadowego), przy czym konkurują z elektrycznymi pompami ciepła i wysokosprawnymi kotłami; wybór technologii zależy zwykle od relacji cen gaz/energia elektryczna i wymagań temperaturowych procesu.

Praktyczne realizacje projektów ogrzewniczych z wykorzystaniem absorpcyjnych pomp ciepła można znaleźć np. na stronie spółki Gazuno, która zaprezentowała się także na Forum Paliw Gazowych w 2024 r.

Potwierdzeniem niemalejącego potencjału wykorzystania gazu w nowoczesnym ogrzewnictwie są badania prowadzone przez Fraunhofer ISE (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE). W ramach projektu LC R290 testowano wysokowydajne sprężarkowe pompy ciepła wykorzystujące propan jako czynnik chłodniczy w celu zastąpienia tradycyjnych systemów grzewczych w istniejących budynkach wielorodzinnych. W warunkach badawczych osiągnięto wskaźnik SCOP na poziomie ok. 3,6–3,8 dla typowych warunków pracy w budynkach wielorodzinnych. W ramach projektu opracowano replikowalną koncepcję systemów grzewczych opartych na pompach ciepła chłodzonych propanem, które mają potencjał w przyszłości upowszechnić się w miastach, w tym w gęstej zabudowie. Więcej o projekcie można znaleźć na stronie instytutu.

‍

‍