Transformacja energetyczna, której celem jest ograniczenie globalnego ocieplenia i jego skutków, wymaga głębokiej dekarbonizacji sektorów o wysokim poziomie emisji gazów cieplarnianych, w tym ciepłownictwa. Według danych Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) z 2023 r., systemy ogrzewania i chłodzenia odpowiadają za około 50% globalnego zapotrzebowania na energię pierwotną, a ponad 70% tego zapotrzebowania jest pokrywane przez paliwa kopalne, takie jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny.
Ograniczenie tych źródeł na rzecz technologii odnawialnych i zeroemisyjnych ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia neutralności klimatycznej. Przejście na technologie bazujące na odnawialnych źródłach energii (OZE), takich jak pompy ciepła – wspiera redukcję emisji CO2, ograniczenie lokalnych zanieczyszczeń powietrza oraz zmniejszenie uzależnienia od importu paliw kopalnych.
Dekarbonizacja sektora ciepłowniczego jest kluczowa w walce z globalnym ociepleniem, gdyż odpowiada on za dużą część emisji gazów cieplarnianych. Globalne emisje związane z energią osiągnęły rekordowy poziom 37,4 mld ton CO₂w 2023 r. Z tego, ponad 20% pochodzi z procesów związanych z ogrzewaniem, które w dużej mierze opierają się na spalaniu paliw kopalnych. Przewiduje się, że w latach 2023-2028 emisje związane z ogrzewaniem wzrosną o 0,6 gigatony, co uwypukla pilną potrzebę przejścia na czystsze źródła energii.
Pompy ciepła są technologią już szeroko wykorzystywaną w ogrzewnictwie i zyskującą na popularności w zastosowaniach dla budynków wielorodzinnych i w skali ciepłowniczej. Umożliwiają one transport ciepła z medium o niższej temperaturze (tzw. dolne źródło ciepła) do medium o wyższej temperaturze (górne źródło ciepła). Proces ten jest realizowany za pomocą obiegu termodynamicznego opartego na cyklu Lindego, w którym czynnik roboczy przenosi ciepło. Czynnik roboczy paruje w wyniku absorpcji ciepła z dolnego źródła. Jest on sprężany, a następnie skrapla się, oddając energię do górnego źródła, aby ochładzając się po rozproszeniu na zaworze, mógł wrócić do parownika. Parametrem opisującym efektywność pomp ciepła jest współczynnik wydajności grzewczej (Coefficent of Performance – COP):
Gdzie:
– współczynnik wydajności grzewczej
– moc grzewcza dostarczona do górnego źródła ciepła
– moc elektryczna
Istotne jest, aby korzystać ze źródeł dolnego ciepła o jak najwyższej temperaturze, bo to ma znaczący wpływ na zużycie energii elektrycznej, a tym samym na ekonomikę pracy układu. Dolnym źródłem ciepła dla pompy mogą być odwierty, powietrze, magazyny ciepła. Dostępność i atrakcyjność tych źródeł zmienia się w ciągu roku. W związku z tym bazowanie na jednym rozwiązaniu jest
nieoptymalne. Bardziej zaawansowaną technologią są wieloźródłowe pompy ciepła, które mogą korzystać z różnych źródeł ciepła. Wybór źródła ciepła jednak jest nie oczywisty, ponieważ:
- Pompy ciepła pracują na określonym czynniku roboczym, poprzez co mają ograniczony zakres zmienności parametrów i to w taki sposób, że parametry źródła dolnego i górnego są powiązane ze sobą,
- Pompy ciepła współpracują najczęściej w systemie, więc optymalizacja pracy musi następować z punktu widzenia systemu, a nie
samej pompy ciepła.
Bardziej zaawansowaną technologią są wieloźródłowe pompy ciepła. Są to urządzenie grzewcze, które wykorzystują różnorodne źródła ciepła, takie jak powietrze, grunt, woda, a czasami również ciepło odpadowe. Głównym celem wykorzystania tej technologii jest maksymalizacja efektywności energetycznej poprzez dynamiczne dostosowywanie się do najkorzystniejszego dostępnego źródła energii w danym momencie, w zależności od warunków środowiskowych i zapotrzebowania użytkownika.
Wyzwaniem konstrukcyjnym jest zaprojektowanie układów hydrauliki i automatyki urządzenia, które umożliwiają pobór ciepła z kilku niezależnych źródeł. Na przykład, w okresie zimowym, kiedy grunt utrzymuje stabilną temperaturę, system może korzystać z naturalnego ciepła górotworu lub z ciepła dodatkowo w górotworze zmagazynowanego. W tym drugim przypadku układ pracuje jako magazyn BTES (Borehole Thermal Energy Storage). W okresie szczytowego zapotrzebowania dolnym źródłem może być ciepło zmagazynowane w wodnym magazynie ziemnym typu PTES (Pit Thermal Energy Storage – magazyn ciepła w postaci stawu). Natomiast podczas miesięcy letnich układ może efektywnie pozyskiwać ciepło z powietrza. Taka funkcjonalność pozwala na maksymalizację efektywności energetycznej urządzenia oraz obniżenie kosztów eksploatacyjnych.
Nad prawidłową pracą układu czuwa zaawansowany system sterowania, który na podstawie:
- warunków metrologicznych,
- stanów temperaturowych poszczególnych źródeł ciepła,
- podaży energii elektrycznej z OZE lub warunków ekonomicznych zakupu tej energii,
- zapotrzebowania sieci ciepłowniczej,
przy współpracy z określonym dolnym źródłem ciepła (optymalnym dla danych warunków) dobiera parametry pracy pompy ciepła.
Technologia ta znajduje zastosowanie zarówno w budownictwie jednorodzinnym, jak i w dużych obiektach komercyjnych, czy przemysłowych – szczególnie tam, gdzie istotne jest zapewnienie stabilnej pracy w zmieniających się warunkach środowiskowych.
Wieloźródłowe pompy ciepła wpisują się również w globalne strategie dążenia do zrównoważonego rozwoju, oferując efektywne rozwiązanie energetyczne o niskim wpływie na środowisko.
Rys. 1. Schemat układu demonstratora technologii Ciepłownia Przyszłości
Ciepłownia w Lidzbarku Warmińskim stanowi przykład innowacyjnego podejścia do integracji wieloźródłowych pomp ciepła z lokalnymi odnawialnymi źródłami energii. System ten obejmuje kaskadowe połączenie pomp ciepła z trzema dolnymi źródłami: powietrznymi wymiennikami ciepła, niskotemperaturowym magazynem gruntowym typu BTES oraz wysokotemperaturowym magazynem wodnym typu PTES. Dzięki integracji z hybrydowymi kolektorami słonecznymi PVT oraz instalacją fotowoltaiczną, system ten charakteryzuje się zmniejszoną zależnością od energii elektrycznej pochodzącej z Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE) oraz wysokim udziałem odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym.
Dla możliwe najmniejszego obciążenia sieci KSE, zintegrowane systemy wieloźródłowych pomp ciepła w Lidzbarku Warmińskim obejmują zastosowanie trójpoziomowego magazynowania ciepła: krótkoterminowego bufora sieciowego, niskotemperaturowego magazynu gruntowego typu Borehole Thermal Energy Storage (BTES) oraz wysokotemperaturowego magazynu wodnego typu Pit Thermal Energy Storage (PTES).
Pierwszy poziom magazynowania stanowi bufor o pojemności 100 m³, działający w zakresie temperaturowym 60-85°C. Rozwiązanie to służy uzyskaniu maksymalnej autokonsumpcji energii elektrycznej pochodzącej z lokalnych instalacji fotowoltaicznych (PV) i hybrydowych
kolektorów słonecznych (PVT). Jest to szczególnie ważne latem, umożliwiając jednocześnie produkcję cieplej wody użytkowej na wieczór i poranek.
Rys. 2. Schemat przepływu energii w układzie demonstratora technologii Ciepłownia Przyszłości
Drugi poziom magazynowania oparty jest na technologii BTES, która obejmuje sieć 300 wymienników gruntowych o głębokości 99,9 m każdy. Temperatura pracy magazynu mieści się w przedziale 5-20°C. Magazyn ładowany jest za pomocą kolektorów hybrydowych PVT, a w okresie letnim przez pompę ciepła pobierającą ciepło z powietrza. Ciepło zgromadzone w magazynie jest wykorzystywane zimą i w okresach przejściowych jako dolne źródło ciepła dla pomp ciepła, co pozwala na efektywne wykorzystanie dostępnych zasobów.
Trzeci poziom to magazyn wodny PTES o pojemności 15 000 m³, zbudowany w postaci zaizolowanego basenu ziemnego wypełnionego wodą. Zakres temperatur pracy wynosi 10-70°C. Wysoka temperatura wody w PTES umożliwia pompom ciepła pracę z wysokimi wydajnościami, szczególnie w zimowych warunkach niskiej temperatury zewnętrznej i ograniczonej produkcji energii z instalacji PV i PVT. W obecnym rozwiązaniu ciepło zgromadzone w PTES wykorzystywane jest wyłącznie jako dolne źródło ciepła dla pomp, jednak w ogólności możliwe jest wykorzystanie bezpośrednie.
Syntetyczne zestawienia informacji o dolnych źródłach ciepła zastosowanych w Lidzbarku Warmińskim przedstawiono w tabeli 1. W celu maksymalnego wykorzystania dostępnej przestrzeni, poszczególne elementy systemu zorganizowano w sposób warstwowy. Wymienniki gruntowe magazynu BTES rozmieszczono na całej powierzchni działki, nad którymi umieszczono magazyn wodny PTES.
| Rodzaj dolnego źródła ciepła | Szacowana pojemność cieplna [MWh] | Zakres temperatur [°C] | Szacowany zakres wartość COP pompy ciepła [-] |
| Powietrze | ograniczona temperaturą zewnętrzną | 5-35 | 2,2-5,4 |
| BTES | 1500 | 5-20 | 2,5-3,8 |
| PTES | 1050 | 10-70 | 3,0-6,0 |
Tab. 1. Zestawienie informacji o dolnych źródłach ciepła w ciepłowni w Lidzbarku Warmińskim
Takie rozwiązanie nie tylko zwiększa gęstość energetyczną systemu, ale także zapewnia dodatkową izolację magazynu gruntowego. Hybrydowe kolektory PVT zainstalowano na powierzchni magazynu wodnego oraz na jego ścianach, maksymalizując produkcję energii odnawialnej.
System demonstracyjny w Lidzbarku Warmińskim osiąga wartość sezonowego współczynnika efektywności (SCOP Seasonal Coefficient of Performance – wartość uśredniona dla danego okresu) wynoszącą około 3,5. Wysoki poziom autokonsumpcji energii z lokalnych źródeł, tj. PV i PVT sprawia, że ponad 70% dostarczanego ciepła pochodzi ze źródeł odnawialnych, nawet przy założeniu, że całość energii elektrycznej zakupionej z KSE pochodziłaby z paliw kopalnych.
Przedstawiona technologia zintegrowanego wykorzystania wieloźródłowych pomp ciepła oraz zaawansowanych systemów magazynowania ciepła stanowi przełomowe rozwiązanie na drodze do pełnej dekarbonizacji sektora ciepłowniczego. Demonstrator technologii zbudowany w Lidzbarku Warmińskim ilustruje potencjał efektywnej integracji odnawialnych źródeł energii oraz magazynów
ciepła w ramach lokalnych sieci ciepłowniczych. Implementacja podobnych systemów w skali krajowej może przyczynić się do znaczącego ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, jednocześnie zwiększając niezależność energetyczną oraz stabilność dostaw ciepła.
Dzięki zastosowaniu układu pompy wieloźródłowej możliwa jest optymalizacja wykorzystania dostępnych dolnych źródeł ciepła, przez co następuje istotne zwiększenie efektywności pracy pompy ciepła. Badanie prowadzone w Lidzbarku Warmińskim powinny przyczynić się do udoskonalenie technologii oraz zweryfikowania przydatności dla sektora ciepłowniczego.
Źródła danych:
- CO2 Emissions in 2023 – Analysis – IEA ( https://www.iea.org/reports/co2-emissions-in-2023)
- Heat – Renewables 2023 – Analysis – IEA (https://www.iea.org/reports/renewables-2023/heat)
- Executive summary – World Energy Outlook 2023 – Analysis – IEA (https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2023/executive-summary)
- Heating – IEA (https://www.iea.org/energy-system/buildings/heating)
Źródło: Prof. dr hab. inż. Wojciech Bujalski, Dyrektor Instytutu Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska
Artykuł pochodzi z wydania 1/2025 “Nowa Energia”.
