W przemyśle już od dawna stosuje się pompy ciepła z amoniakiem, naturalnym środkiem chłodniczym, i to przede wszystkim tam, gdzie potrzebna jest duża wydajność. Teraz systemy pomp ciepła na bazie amoniaku zdobywają uznanie w nowych zastosowaniach, np. we wspólnotach mieszkalnych, instytucjach publicznych i przedsiębiorstwach.

Coraz więcej inwestorów spoza sektora przemysłowego wykorzystuje technologie amoniakalne, przyjazne dla środowiska i charakteryzujące się efektywnością wykorzystania energii, aby pokryć własne zapotrzebowanie na chłód, ciepło, lub nawet, aby w sposób ekologiczny ogrzać całe dzielnice miast. Stoją za tym przyczyny zarówno ekonomiczne jak i ekologiczne. Obok współczynnika globalnego ocieplenia i potencjału niszczenia warstwy ozonowej równych zeru, NH3 ma znakomite właściwości termodynamiczne. W rezultacie amoniak jest bardzo efektywnym środkiem chłodniczym, dzięki któremu w przypadku pomp ciepła można uzyskać wyjątkowo wysoką efektywność.

W niniejszym artykule przybliżone zostały realizacje trzech przedsiębiorstw, członków eurammon, pokazujące na przykładzie bieżących projektów, co przy dużych pompach ciepła jest już możliwe.

Norwegia: Ciepło z fiordu przesyłane na odległość

W fiordach Norwegii kryje się olbrzymi potencjał energetyczny, który poznało miasto Drammen, kiedy w 2008 r. ogłosiło przetarg na ambitny projekt. Szukano ekologicznej sieci ciepłowniczej, która uzdatniałaby ciepło wody fiordu za pomocą pomp ciepła, aby ogrzać prawie jedną całą dzielnicę tego miasta – liczącego 65.000 mieszkańców – tanią i przyjazną dla środowiska energią. Przetarg wygrała firma Star Refrigeration, która jest tak przekonana o efektywności dużych pomp ciepła na bazie amoniaku, że założyła własną spółkę-córkę – Star Renewable Energy. Kryterium decydującym o wyborze oferty była jej przyjazność dla środowiska. „Drammen jest największą na świecie pompą ciepła pracującą przy temperaturze 90°C na bazie naturalnego środka chłodniczego. Zwiększenie w tak efektywny sposób ciepła na użyteczny poziom temperatury zasługuje na uwagę”, tłumaczy Dave Pearson, członek zarządu Star Renewable Energy.

Rys. 1. Maszynownia z pompami ciepła Star Refrigeration

Temperatura fiordu wynosi w zimie przeciętnie 8°C, zaś latem, przez wodę z topniejących lodowców, tylko 6°C. Z powodu tej stałej temperatury, woda pobierana jest w odległości około jednego kilometra od brzegu i z głębokości 35 metrów. Po przepuszczeniu przez filtry wprowadzana jest do instalacji pomp ciepła. Tutaj energia cieplna wody przenoszona jest do obiegu zamkniętego, gdzie jest sukcesywnie ogrzewana do temperatury 90°C przez trzy, zaprojektowane na 65 bar i połączone szeregowo, dwustopniowe pompy ciepła. Każdej pompie ciepła wystarczy przy tym ładunek 1000 kg NH₃.

Dzięki inteligentnemu zaprojektowaniu systemu, pompy ciepła na bazie amoniaku osiągają współczynnik wydajności chłodniczej wynoszący 3,15. Prawie wrząca woda płynie potem 22-kilometrowym systemem rurociągów do Drammen i zaopatruje podłączone budynki poprzez wymiennik ciepła w ciepłą wodę użytkową i grzewczą. I to po bezkonkurencyjnie niskiej cenie: Jedna megawatogodzina kosztuje tylko 11 euro. Ze zdolnością wytwórczą 43 MW instalacja pokrywa około 70% całego zapotrzebowania energii dzielnicy miasta. W 2013 r. „Drammen Fernwärme” dostarczała łącznie 90 GWh – z czego 67 GWh pompy ciepła wytwarzały w sposób ekologiczny i oszczędny. Imponujący przykład, za którym może w przyszłości podążyć wiele innych przybrzeżnych miast, takich jak Sztokholm lub miejscowości nad Dunajem. Natężenie przepływu Dunaju pozwalałoby, na przykład na wydobycie około 2 GW ciepła.

Rys. 2. Schemat układu pomp ciepła w Drammen

Niemcy – kopalnia srebra jako złoty interes energetyczny

Szpital powiatowy w Freibergu pod Dreznem położony jest w idyllicznym krajobrazie Rudaw nad starą kopalnią srebra – i od wiosny 2014 r. w szczególny sposób czerpie korzyści z tego położenia. Na głębokości 200 metrów, w sztolni pod szpitalem, płynie woda kopalniana o temperaturze wynoszącej przez cały rok około 14°C. Aby wykorzystać to źródlane ciepło firma Johnson Controls zaprojektowała 2-stopniową pompę ciepła na bazie amoniaku, ogrzewającą szpital. Zdecydowano się na połączenie pompy ciepła i elektrociepłowni blokowej, które w szczytowych okresach wytwarzają łączną moc cieplną równą 1,16 MW.

Rys. 3. Szpital powiatowy w Freibergu pod Dreznem, w którym zainstalowano dwustopniową amoniakalną pompę ciepła Johnson Controls

Woda kopalniana o temperaturze 14°C płynie na głębokości 200 metrów strumieniem o objętości wynoszącym 300 litrów na sekundę ze sztolni do rzeki Triebisch. Najpierw część wody pompowana jest do specjalnie wzniesionej maszynowni na trzecim rząpie (w górnictwie – najniższa część szybu usytuowana poniżej ostatniego poziomu wydobywczego w kopalni; jest to nieeksploatowana część szybu, mająca za zadanie zbieranie ściekającej po ścianach wody). Tam zgromadzone w wodzie ciepło, wynoszące około 615 kW, przenoszone jest poprzez płytowy wymiennik ciepła do obiegu NH3. Aby poprowadzić rury ze sztolni do naziemnej kotłowni grzewczej musiano wywiercić w skale otwór o głębokości 200 metrów i średnicy 50 centymetrów.

W kotłowni grzewczej temperatura wody podnoszona jest poprzez obieg pomp ciepła do maksymalnie 72°C. Z doprowadzonej wydajności sprężarki wynoszącej 215 kW wynika moc cieplna 815 kW. Zasilana gazem elektrociepłownia blokowa wytwarza energię elektryczną potrzebną do pracy pompy ciepła, której moc cieplna wynosi 815 kW.

Także w przypadku elektrociepłowni blokowej skoncentrowano się na efektywności wykorzystania energii. W celu zwiększenia łącznej efektywności, ciepło odlotowe elektrociepłowni blokowej wprowadzane jest do systemu ogólnego – podwyższa ono temperaturę końcową obwodu grzewczego do 76°C. W ten sposób cały system wytwarza z równoważnika energii wynoszącego 1 metr sześcienny normalny gazu ciepło ogrzewania równe ok. 2 metrom sześciennym normalnym gazu, co oznacza wartość współczynnika wydajności chłodniczej pompy ciepła na poziomie 4,05. Koszty wytwarzania ciepła wynoszą przez to teraz tylko 57 €/MWh.

Dzięki ekologicznie i ekonomicznie wytwarzanej energii cieplnej szpital może sam pokryć około 80% swojego zapotrzebowania na ciepło, zaoszczędzić na kosztach ogrzewania około 350 000 euro rocznie i w ten sposób zabezpieczyć na dłuższą metę własną konkurencyjność.

Szwecja: Dawanie przykładu w tym, co głosi się innym

Alfa Laval jest jednym z największych producentów wymienników ciepła na świecie. W swojej siedzibie w dzielnicy Gunnesbo w Lund, mieście na południu Szwecji, Alfa Laval jest też wzorem działań, których jest adwokatem: ciepło procesowe, powstające przy produkcji komponentów, wykorzystywane jest teraz w nowym systemie pomp ciepła na bazie amoniaku. W ten sposób zakład może pokryć prawie całe zapotrzebowanie na ciepło fabryki i centrali przedsiębiorstwa, które konieczne jest do ogrzewania i podgrzewania wody użytkowej – i to po prostu tylko dzięki już istniejącemu ciepłu. Jest to nie tylko szczególnie ekologiczne przez to, że nie dochodzi do emisji około 140 ton CO₂ rocznie, ale jest także ekonomiczną inwestycją. Do tej pory bowiem przedsiębiorstwo pobierało około 3700 MWh ciepła przesyłanego na odległość – co powodowało olbrzymie koszty, które teraz można dzięki nowej pompie ciepła prawdopodobnie zmniejszyć o 80%. Przez to inwestycja amortyzuje się już po trzech latach.

Rys. 4. Maszynownia w zakładzie Alfa Laval

Godne uwagi jest zaangażowanie z jakim Jesper Olsen, Menedżer rynkowy firmy Industrial Refrigeration, przyśpieszał projekt wewnątrz firmy. Dla niego pierwotna koncepcja związana z pompami ciepła miała olbrzymie możliwości ulepszenia. „Byłem pewien, że możliwy jest system pomp ciepła o podwójnej efektywności, wykorzystujący oprócz tego naturalny i przyszłościowy środek chłodniczy”, tłumaczy swoje zaangażowanie Olsen. W centrum nowo zaprojektowanej instalacji stoi zalany parownik, który Olsen połączył z separatorem w kształcie litery U. Przyjmuje on energię cieplną systemu chłodzenia oleju, który podczas procesu prasowania przy produkcji płyt w zakładzie jest rozgrzewany do około 28°C. Po sprężeniu system wysokiego ciśnienia oddaje ciepło w skraplaczu do zamkniętego obiegu wody grzewczej, w którym temperatura rośnie do 65°C. Instalacja wykorzystuje obieg wysokociśnieniowy i potrzebuje przez to tylko 40 kg amoniaku. Pompa ciepła ma łącznie zdolność wytwórczą wynoszącą 827 kW. Szczególnie praktyczne jest to, że firma Alfa Laval używa tego udanego projektu jako wewnątrzzakładowego punktu odniesienia i swoistego salonu wystawowego dla klientów i współpracowników.

Trzy projekty. Jeden środek chłodniczy. Wiele możliwości

Mimo tego, że te trzy powyższe projekty różnią się od siebie, charakteryzują się też wieloma wspólnymi aspektami – we wszystkich rozwiązaniach postawiono przy projektowaniu przyjaznej dla środowiska, finansowo i energooszczędnej koncepcji związanej z pompami ciepła na naturalny środek chłodniczy, jakim jest amoniak. Oprócz tego stanowią one wzór do naśladowania i pokazują nowe szanse w rosnącym segmencie rynkowym. Pompy ciepła bazujące na amoniaku mają bardzo duże spektrum zastosowania – także poza eksploatacją przemysłową.

***

Materiał przygotowany przez eurammon – wspólną europejską inicjatywę przedsiębiorstw, instytucji i pojedynczych osób, angażujących się na rzecz powszechniejszego używania naturalnych środków chłodniczych.

www.eurammon.com