Pompy ciepła w gospodarce energetycznej miast

Transkrypt

1 ROZWÓJ ENERGETYKI INNOWACYJNEJ - BUDOWANIE BEZPIECZEŃSTWA ENERGETYCZNEGO MIAST I GMIN Pompy ciepła w gospodarce energetycznej miast dr hab. inż. Brunon J. Grochal, prof. UWM Uniwersytet Warmińsko-Mazurski Polskie Stowarzyszenie Pomp Ciepła wojtek@imp.gda.pl kret4@t-net.com.pl POLSKIE STOWARZYSZENIE POMP CIEPŁA CZŁONEK EUROPEJSKIEGO STOWARZYSZENIA POMP CIEPŁA (EHPA) Bielsko-Biała,

2 Plan prezentacji 1. Wstęp 2. Co o pompach ciepła warto wiedzieć pigułka wiedzy 3. Jak to jest z efektywnością pomp ciepła 4. Gdzie szukać ciepła w mieście - a także chłodu! (czyli dolne źródła pomp ciepła) 5. Jak to robią inni - czyli korzystanie z gotowych rozwiązań 6. Uwagi końcowe 02

3 1. Wstęp Pompy ciepła umożliwiają racjonalizację gospodarki energetycznej miasta na kilka sposobów. W zastosowaniach bezpośrednich pozwalają zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło pozyskiwane z konwencjonalnych nośników energii, poprzez zastąpienie tego ciepła ciepłem pobieranym ze środowiska (z powietrza, z gruntu, z wód powierzchniowych bądź gruntowych w przypadku ich występowania). Dzięki zastosowaniu pomp ciepła możliwe jest wykorzystanie także zasobów energii, które bez użycia pomp ciepła są niemożliwe do wykorzystania - na przykład poprzez ochładzanie ścieków czy utylizację ciepła odpadowego z procesów technologicznych. We współpracy z magazynami (akumulatorami) ciepła/chłodu pompy ciepła pozwalają znacznie zmniejszyć wahania obciążenia źródeł ciepła i źródeł energii elektrycznej. Jako jedyne urządzenie grzewcze pompy ciepła zapewniają pokrycie zapotrzebowania także na chłód, przy jednoczesnym wykorzystaniu usuwanego ciepła (akumulacja, podgrzewanie wody użytkowej). Przy wykorzystaniu pomp ciepła do zaopatrzenia odbiorców w ciepło i chłód znacząco zmniejszane są lokalne (także ogólnie) emisje szkodliwych gazów i pyłów. Nadto wobec korzystania z zasobów energii ze środowiska wzrasta stopień bezpieczeństwa energetycznego. Znakomicie poprawia się komfort korzystania z energii. 03

4 Dokąd zmierza budownictwo (do zrównoważonego rozwoju budynków plus-energetycznych) 04

5 Ciepłownictwo, branża jak gorący kartofel Ireneusz Chojnacki Około 70 proc. przedsiębiorstw ciepłowniczych pozostaje w rękach samorządów - często bez szans na konieczne inwestycje. Dla tych firm skutki polityki klimatycznej mogą się okazać groźne.... Z danych GUS wynika, że od początku bieżącej dekady do roku 2007 cena gazu wzrosła prawie o 200 proc., a cena opału stałego o 150 proc. Trzeba przy tym pamiętać, że tylko w 2008 roku opał stały zdrożał prawie o 50 proc. Skoro podstawowym nośnikiem do wytwarzania ciepła jest w Polsce węgiel, a jego cena rośnie, to nie ma możliwości, by cena ciepła pozostawała na niezmienionym poziomie Ustalanie taryf dla ciepła za pomocą tzw. metody kosztowej sprawia, że firmom ciepłowniczym nie opłaca się inwestować w zmniejszanie kosztów wytwarzania ciepła, podnoszenie jakości usług i we własny rozwój. Jest natomiast powodem postępującej dekapitalizacji ciepłownictwa... (z rozmowy z Jackiem Szymczakiem, prezesem zarządu Izby Gospodarczej Ciepłownictwo Polskie) Źródło: Urzędowe ceny za ciepło hamują rozwój branży ciepłowniczej :48 Autor: Rozmawiał Krzysztof Polak Źródło: GP/forsal.pl A więc trzeba sobie radzić z ciepłem we własnym zakresie o czym niżej. 05

6 Konieczność prosumenckiego podejścia do energetyki jest już dostrzegana... 06

7 2. Co o pompach ciepła warto wiedzieć pigułka wiedzy Pompa ciepła jest jak krowa Milka z reklamy czekolady: nie umie śpiewać, nie umie opowiadać, itd. nie umie, ale UMIE PORUSZAĆ CIEPŁO to znaczy umie dostarczać ciepło oraz zabierać ciepło, czyli dostarczać chłód Generalnie pompy ciepła pompują ciepło. Nie należy mylić ciepła z temperaturą. Na przykład jest znacznie więcej ciepła w dużej bryle lodu niż w kropli wrzątku. Generally heat pumps pump heat. Do not get heat confused with temperature. For example there is a lot more heat in a huge block of ice then there is in a drop of boiling water. 07

8 Zasada działania pomp ciepła Krzywe nasycenia kilku czynników roboczych (R ditlenek węgla CO 2 ; R amoniak NH 3 ; R propan C 3 H 8 ) Ciepło jest transportowane w parze : - w sprężarkowych pompach ciepła para jest po prostu sprężana do wyższego ciśnienia - w absorpcyjnych pompach ciepła do wyższego ciśnienia pompowana jest ciecz (nośnik) zawierająca rozpuszczoną w tej cieczy parą 08

9 Skąd pompa ciepła pobiera ciepło? - ze środowiska i z procesów technologicznych L N energia napędowa (Q+ L N ) ciepło użyteczne Schemat wykorzystywania zasobów energii środowiska przy użyciu pompy ciepła recyrkulacja energii środowiska 09

10 sprężarka termiczna otoczenie (OZE) Pompy ciepła w gospodarce energetycznej miast c.o. c.w.u. Absorpcyjne i sprężarkowe pompy ciepła otoczenie c.o. c.w.u. chłodzenie absorbera (1) zawór rozprężny, (2) parownik, (3) absorber (4) warnik (5) skraplacz (6) zawór dławiący (roztworu ubogiego) (7) pompa roztworu (bogatego) palnik gazowy (ciepło napędowe, wysokotemperaturowe) Uwaga: (1) sprężarka (2) skraplacz (3) zawór rozprężny (4) parownik grubość strzałek odpowiada jakościowo proporcjom ilości ciepła (przy tej samej mocy pomp ciepła sprężarkowej i absorpcyjnej) 10

11 Tę samą moc cieplną możemy uzyskać przy tych samych wkładach paliwa, zarówno ze sprężarkowej elektrycznej jak i gazowej absorpcyjnej pomp ciepła, inny będzie jednak w dostarczanym cieple wkład OZE - mniejszy przy gazowej absorpcyjnej pompie ciepła. Gazowa absorpcyjna pompa ciepła pozwala jednak zmniejszyć zużycie gazu w porównaniu z kotłem gazowym - bez wkłądu OZE zużycie gazu jest oczywiście większe. 11

12 (ponieważ inne są proporcje energii napędowej i energii pobieranej ze środowiska, w tym przypadku z gruntu) 12

13 Jeśli zależy nam na otrzymywaniu dużej ilości ciepła... i tanio... Q ( Q + LN ) COP = Q + L L N N ( ) 3 8 L N Płacimy za L N, otrzymujemy do dyspozycji ( Q + LN ) COP Coefficient Of Performance (Efektywność Cieplna Pompy Ciepła) Korzyść ze stosowania pompy ciepła wynika z relacji między Q i L N 13

14 Na efektywność instalacji ogrzewania ma wpływ nie tylko sama pompa ciepła, ale także nakład energii wymagany do obsługi dolnego źródła (pompa obiegowa) oraz ewentualne dogrzewanie zbiornika akumulacyjnego (backup heating). Ilustracja relacji między współczynnikami wydajności cieplnej: COP tylko pompa ciepła, SPF instalacja grzewcza z pompą ciepła. SPF = Q/W Pomierzone wartości SPF, przedstawione poniżej, pozwalają wyrobić sobie pogląd o efektywności pomp ciepła. 14

15 Postępy w podwyższaniu efektywności pomp ciepła są znaczne, co ważne także w odniesieniu do pomp ciepła z powietrzem jako dolnym źródłem ciepła (Japonia) 15

16 Pomierzone średniomiesięczne wartości współczynnika SPF w latach 2008 i 2009 przy pobieraniu ciepła z gruntu (GSHP Ground Source Heat Pump) [źródło: European Heat Pump NEWS, Issue 12/2 August 2010] 16

17 Pomierzone średniomiesięczne wartości współczynnika SPF w latach 2008 i 2009 przy pobieraniu ciepła z powietrza. [źródło: European Heat Pump NEWS, Issue 12/2 August 2010] 17

18 Gazowa absorpcyjna pompa ciepła w negliżu 18

19 Czy tak nie mógłby wyglądać dach hotelu w Bielsku-Białej? (gazowe absorpcyjne pompy ciepła) 19

20 parownik skraplacz Sprężarka (tyou scroll) zawór dławiący ELEMENTY KOMPAKTOWEJ POMPY CIEPŁA (z zintegrowanym zbiornikiem) (IVT) 20

21 Sprężarkowe elektryczne pompy ciepła ze zbiornikiem akumulacyjnym 21

22 Harcerski Ośrodek Morski (HOM) w Pucku widok ogólny Przykład hybrydowej instalacji ogrzewania z pompą ciepła oraz kolektorami słonecznymi Harcerski Ośrodek Morski (HOM) w Pucku pompy ciepła i zbiorniki akumulacyjne 22

23 z: Pearson S.F.: Natural refrigerants for heat pumps, IEA Heat Pump Centre Newsletter, Volume 22, No. 1/2004, pp Wprowadzane są do użytku robocze czynniki naturalne, nieszkodzące środowisku 23

24 NH 3 propan CO 2 Czynniki robocze naturalne pozwalają osiągać wysokie temperatury podgrzania, a także wysokie wartości średniorocznej efektywności SPF 24

25 z: Palm B.: Heating system for a low energy house, Final SHERHPA Workshop on Natural Refrigerant Heat Pump Systems, 13 November 2007, Brussels. Postępy technologii produkcji wymienników ciepła prowadzą do miniaturyzacji elementów pomp ciepła oraz zmniejszenia ilości czynnika roboczego w instalacji 25

26 3. Jak to jest z efektywnością pomp ciepła EL wg: Forsén M.: Heat pumps technology and environmental impact, July 2005: Part 1, Swedish Heat pump Association (SVEP). Ilustracja efektu energetycznego działania pompy ciepła: dzięki dobieraniu ciepła ze środowiska użytkownik otrzymuje więcej ciepła niż gdyby bezpośrednio wykorzystał ciepło spalania paliwa 26

27 1. Pompa ciepła dostarcza ciepło przy najniższej możliwej temperaturze, więc straty wynikające z różnicy temperatur są najniższe (w porównaniu z innymi rodzajami ogrzewania). 2. Proste rachunki pozwalają określić, ile mamy spalić jednostek paliwa, jeśli potrzebujemy ilość ciepła równoważną wartości opałowej paliwa (to jest tyle, ile dostarczyłby kocioł o sprawności 100%): - przy ogrzewaniu elektrycznym to 1/0,38 = 2,63 jednostek ( EL = 0,38) - przy ogrzewaniu kotłem to 1/0,8 = 1,25 jednostek (ew. 1/0,9 = 1,11 jednostek) - przy ogrzewaniu pompą ciepła to 1/1,14 = 0,88 jednostek (ew. 1/1,52 = 0,64 jednostek) Wskazana powyżej energooszczędność, mierzona niespalonym paliwem, bezpośrednio przekłada się na ekologiczność - poprzez unikniętą emisję. Jak poważne są to ilości, łatwo przekonać się ograniczając się nawet do jednej tylko publikacji, za to przygotowanej przez najbardziej kompetentną instytucję, jaką jest niewątpliwie International Energy Agency (IEA) chodzi o raport Heat pumps can cut global CO2 emmisions by nearly 8%, Renewable energy for cleaner future, Heat Pump Programme, Heat Pump Centre, EL 27

28 Typowy dom - emisja CO 2 (polski dom jednorodzinny zużywa około 2 razy więcej energii a więc i emituje więcej!) 28

29 Pompa ciepła może dostarczać ciepło w całości pochodzące z OZE, jeśli z OZE pochodzi energia napędowa (stanowiąca część ciepła dostarczanego użytkownikowi). (biogaz dla gazowej absorpcyjnej pompy ciepła) 29

30 Heat pumps in CO 2 footprint are as good as a quality of electricity mix to propel them Source: R. Mayer, Emerging trends in heat pump technology, Geothermal live 2008 Przy użyciu do ogrzewania pomp ciepła zwiększenie udziału energii elektrycznej z OZE w electricity mix prowadzi do zmniejszenia emisji CO 2, w przeciwieństwie do konwencjonalnego ogrzewania 30

31 To przyszłość - pompa ciepła napędzana ogniwem paliwowym, o sprawności elektrycznej znacznie większej niż osiągane sprawności elektrowni. (Współczynnik wykorzystania paliwa sięga wartości 3.) 31

32 Największe oszczędności przynosi zastąpienie pompą ciepła ogrzewania elektrycznego 32

33 4. Gdzie szukać ciepła w mieście - a także chłodu! (czyli dolne źródła pomp ciepła) Wody gruntowe Czy wszystkie rodzaje dolnego źródła są jednakowo dobre? (nie wspominając o ich koszcie) Pionowy wymiennik gruntowy Poziomy wymiennik gruntowy Powietrze Efektywność Dostępność 33

34 Powietrze jako dolne źródło ciepła pompa ciepła może być wewnątrz budynku na zewnątrz budynku 34

35 Gruntowe poziome kolektory jako dolne źródła ciepła mają w mieście ograniczone zastosowanie ze względu na niezbędną duża powierzchnię, ale dla domów jednorodzinnych? 35

36 Inne rodzaje dolnych źródeł ciepła, czy miejskie? 36

37 Dobrym, pewnym, stabilnym dolnym źródłem ciepła są sondy pionowe,wody gruntowe, ścieki Sondy pionowe Woda gruntowa Ścieki 37

38 Schemat wykorzystania ścieków do pozyskiwania ciepła i chłodu przy użyciu pompy ciepła 38

39 Magazynowanie ciepła i chłodu w gruncie 39

40 Grunt to dobre dolne źródło ciepła oraz magazyn ciepła/chłodu BTES Borehole Thermal Energy Storage UTES Underground Thermal Energy Storage ATES Aquifier Thermal Energy Storage 40

41 Gruntowe magazyny ciepła/chłodu - Szwecja Liczby i głębokości otworów są znaczne 41

42 Ciepło z drogi 42

43 43

44 Ciepło ze ścieków - Paryż 44

45 Szwajcarzy też umieją liczyć Wymienniki ciepła do kanałów ściekowych i bilans energii 45

46 5. Jak to robią inni - czyli korzystanie z gotowych rozwiązań Liczba pomp ciepła będzie gwałtownie wzrastać na całym świecie 46

47 jak i w krajach UE, czego jednak nie przewiduje polski Action Plan. 0 47

48 Najprawdopodobniej obniżać się będzie koszt pomp ciepła, ale czekać raczej nie należy Bardzo aktywnie ostatnio propaguje się pompy ciepłą w Wielkiej Brytanii. 48

49 Poradnik dla trudnych odbiorców brytyjskich 49

50 Pierwszy stadion w Niemczech ogrzewany pompą ciepła, co ze stadionami w Polsce? Euro 2012 było okazją do wprowadzenia nowoczesnych rozwiązań było. 50

51 6. Uwagi końcowe 1. Gminy nie podejmują inicjatywy budowy kogeneracyjnych źródeł energii ze względu na: - brak środków inwestycyjnych, - brak kwalifikowanej kadry do obsługi i eksploatacji źródeł energii, - obawy przed koniecznością pokonania barier prawnych i administracyjnych, - brak dostatecznego wsparcia ze strony władz wyższego szczebla. 2. Jako niestety ciągle bardzo niski można ocenić poziom rzetelnej wiedzy o nowoczesnych technologiach energetycznych i systemach ogrzewania wykorzystujących OZE wśród projektantów i architektów, zarządców nieruchomości oraz szeroko rozumianej administracji i członków władz samorządowych. 3. Wiedza o nakładach energii na ogrzewanie pozostawia wiele do życzenia, delikatnie mówiąc. 51

52 Niemcy - podobne zużycie Porównanie stanu faktycznego i obiegowych opinii dotyczących zużycia energii na potrzeby bytowe gospodarstw domowych w Polsce 52

53 Porównanie stanu faktycznego i obiegowych opinii dotyczących zużycia energii w Polsce w poszczególnych sektorach gospodarki Największe zużycie energii w budynkach mieszkalnych jasno wytycza priorytety poszukiwania oszczędności energii 53

54 Załącznik 3 z Zielonej księgi w sprawie racjonalizacji zużycia energii ZROBIĆ WIĘCEJ ZA MNIEJ 54

55 Najdroższe są pompy ciepła niewielkiej mocy - niestety... Źródło: Heating and cooling from renewable energies: costs of national policies and administrative barriers, FINAL REPORT, MVV Consulting, delivered to DG TREN 15 June,

56 Luksemburg Irlandia Holandia Austria Szwecja Dania Wlk. Brytania Niemcy Finlandia Belgia Francja Hispzania Włochy UE 27 Cypr Grecja Słowenia Czechy Malta Portugalia Słowacja Estonia Węgry Litwa Polska Łotwa Rumunia Bułgaria Pompy ciepła w gospodarce energetycznej miast PKB na 1 mieszkańca w różnych krajach PKB na mieszkańca 100 średnia dla 27 krajów UE Pompy ciepła są drogie zwłaszcza dla Polaków

57 Próbować trzeba są możliwości pozyskania środków 57

58 Budynek mieszkalny (52 mieszkania) w Gdańsku-Oruni, m3; 5 pomp ciepła o łącznej mocy 75 kw th, gruntowe dolne źródło ciepła - 10 otworów pionowych po120 m. [źródło: ELAR Gdańsk] 58

59 59

60 60

61 Procentowy wzrost cen energii w latach Ceny energii z różnych nośników na koniec 2007 r. 61

62 Polskie problemy z pompami ciepła 1. W Polsce dom jednorodzinny zużywa często dwukrotnie więcej energii niż w krajach rozwiniętych; zmniejszenie rocznego zapotrzebowania ciepła wymaga kosztownej poprawy izolacji i instalacji 2. Istnieje zakorzeniona opinia, że podawane wartości SPF są teoretyczne (opinia wspierana jak najszerzej przez dostawców technologii ogrzewania konkurujących z pompami ciepła) 3. Nikt jak na razie nie jest zainteresowany w obliczaniu (i konsumowaniu ) unikniętej emisji, wynikającej z wykorzystywania OZE przez indywidualnych użytkowników 4. W obliczeniach unikniętej emisji CO 2 podkreślana jest niska sprawność polskich elektrowni - dużo niższa niż w innych krajach UE, tzn. mniejsza niż 0,38 ( kowal zawinił, Cygana wieszają!) 5. W Polsce wsparcie inwestycji indywidualnych, małych, jak dotąd praktycznie nie istnieje - biorąc pod uwagę dużą liczbę zainteresowanych, kilka dotacji ze środków samorządowych, a i to nie wszędzie *) 6. Nie istnieje ogólnie dostępna dla potencjalnych inwestorów baza wiarygodnych danych dotyczących efektywności pomp ciepła w polskich warunkach Pilna potrzeba badań w rzeczywistych warunkach field tests.. Pompy ciepła dla Polaków są drogie! *) Katowice i Łódź uruchomiły ostatnio dotacje!! 62

63 Bardzo duże znaczenie dla upowszechnienia wykorzystania pomp ciepła miało i ma w każdym z krajów wsparcie paostwa w Polsce jak dotąd w zasadzie nie ma go w ogóle Źródło: Ciepło z natury - pompy ciepła, 63

64 64

65 Quiz: gdzie występują tutaj pompy ciepła? (podpowiedź: wszędzie) 65

66 KORZYŚCI ZE STOSOWANIA POMPY CIEPŁA - DLA ODBIORCY CIEPŁA - TO OBNIŻENIE KOSZTU OGRZEWANIA, Z MOŻLIWOŚCIĄ CHŁODZENIA PRZY UŻYCIU TEJ SAMEJ INSTALACJI, PRZY NIEPORÓWNANIE WIĘKSZEJ WYGODZIE KORZYSTANIA Z INSTALACJI WODNIESIENIU DO INNYCH SYSTEMÓW OGRZEWANIA - DLA ŚRODOWISKA - TO OBNIŻENIE SZKODLIWYCH EMISJI ZE SPALANIA PALIW KONWENCJONALNYCH, DZIĘKI RECYRKULACJI ENERGII POBIERANEJ ZE ŚRODOWISKA ORAZ - W SUMIE - LEPSZEMU WYKORZYSTANIU ENERGII PALIWA NIŻ W INNYCH SYSTEMACH OGRZEWANIA 66

67 67

68 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 68