Nemci posunuli tepelné čerpadlá na novú úroveň. Pri 160 °C môžu nahradiť fosílne palivá

Opustenie fosílnych zdrojov je vo viacerých oblastiach priemyslu jednou z najväčších výziev energetiky. Kým v domácnostiach sú tepelné čerpadlá, jeden z najčistejších zdrojov energie, už dnes bežným štandardom, ťažký priemysel a veľké továrne sa pri produkcii obrovského množstva potrebného tepla stále spoliehajú na fosílne palivá.

Prelomiť túto závislosť sa teraz pokúšajú vedci z nemeckého inštitútu Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE. Tí v rámci svojho najnovšieho výskumu úspešne otestovali vysokoteplotné tepelné čerpadlá schopné dosiahnuť prevádzkovú teplotu až 160 stupňov Celzia, upozorňuje Interesting Engineering.

Táto kľúčová tepelná hranica v praxi ukazuje, že technológia je pripravená na to, aby dokázala priamo dodávať priemyselnú paru a tlakovú horúcu vodu pre výrobné procesy, čo by mohlo radikálne znížiť uhlíkovú stopu celého priemyselného sektora.

Potenciál novej technológie je obrovský

Celý výskum a následné testovanie prebieha pod hlavičkou výskumného projektu s názvom FernWP. Hlavným vedeckým cieľom tohto projektu je preskúmať, akým spôsobom by moderné tepelné čerpadlá mohli v blízkej budúcnosti plne nahradiť uhlie, a to nielen v rámci priameho priemyselného vykurovania, ale aj v systémoch centrálneho zásobovania teplom.

Vedecký tím inštitútu za týmto účelom vyvinul úplne nové laboratórne testovacie zariadenie, ktoré je navrhnuté špeciálne pre skúmanie čerpadiel generujúcich procesnú paru pri extrémne vysokých teplotách. Doktorka Ursula Wittstadt, ktorá pôsobí ako senior inžinierka a projektová manažérka projektu FernWP, zdôraznila obrovský potenciál tejto technológie.

Podľa jej slov nové testovacie zariadenie umožňuje výskumníkom presne merať zložité termodynamické interakcie v systéme, čím vytvárajú nevyhnutný inžiniersky základ pre ďalší hlbší vývoj nielen jednotlivých komponentov, ale aj celých komplexných systémov.

Z vedeckého a konštrukčného hľadiska samotné dosiahnutie maximálnej teploty nie je jediným rozhodujúcim faktorom pre úspešné nasadenie technológie v ťažkom priemysle. Ako ďalej objasnila doktorka Wittstadt, vysokoteplotné tepelné čerpadlo musí predovšetkým spoľahlivo a s vysokou energetickou účinnosťou produkovať procesnú paru aj v momentoch, keď sa dynamicky menia celkové prevádzkové podmienky. Systémy musia adekvátne reagovať na meniace sa zdroje tepla, kolísavé záťaže a rôzne prevádzkové režimy.

Pre dosiahnutie týchto parametrov sa výskumný tím zameral na testovanie tepelných čerpadiel, ktoré ako chladivo využívajú bután. Výber tohto plynu má svoje vedecké opodstatnenie z hľadiska výborných termodynamických vlastností pri vysokých teplotách, avšak prináša so sebou výrazné technické výzvy.

Keďže bután je vysoko horľavý, vedci museli paralelne študovať aj prísne bezpečnostné a inštalačné požiadavky. Inštitút má v pláne naďalej rozvíjať svoje testovacie kapacity, aby dokázal stanoviť komplexné bezpečnostné koncepty pre prácu s takýmito chladivami vo veľkokapacitných systémoch, čo umožní výrobcom navrhovať pokročilé výmenníky tepla dimenzované na obrovské záťaže.

Reálny výkon sa výrazne líši od lokality

Okrem prísne kontrolovaných laboratórnych testov sa inštitút venuje aj monitorovaniu technológie v reálnej praxi v rámci iniciatívy Reallabor GroßWP. Od roku 2023 vedci podrobne analyzujú päť veľkokapacitných tepelných čerpadiel integrovaných priamo do sietí centrálneho zásobovania teplom.

Freepik

Tieto reálne aplikácie ukázali, že zariadenia dokážu fungovať absolútne spoľahlivo a dosahovať stanovené ciele. Podmienkou však je, že ich mechanické časti, riadiace systémy, hydraulická integrácia a celkové prevádzkové stratégie musia byť navrhnuté vysoko precízne. Axel Oliva, projektový manažér tejto iniciatívy, zverejnil poznatky z monitorovania a zdôraznil, že reálny výkon zariadení je mimoriadne závislý od okolitých fyzikálnych podmienok.

Medzi najvýraznejšie obmedzenia, ktoré tím identifikoval, patria výkyvy teploty primárneho zdroja tepla. Výskum ukázal, že systémy, ktoré odoberajú teplo z tečúcej vody, vykazovali citeľný pokles produkcie tepla v momentoch, keď teplota vody klesla, alebo keď systém bežal v režime čiastočnej záťaže.

Kritický bod zlomu pre termodynamickú účinnosť nastal v momente, keď teplota zdroja klesla pod šesť stupňov Celzia, kedy tepelný výkon zariadení začal výrazne padať. Prevádzka takýchto čerpadiel v rámci už integrovaného systému elektrární si preto vyžaduje hlboké znalosti o existujúcej flotile závodov, architektúre siete a koncových inštaláciách u zákazníkov.

Čítajte viac z kategórie: Novinky