Wielkie pompy ciepła - alternatywa czy mrzonka. Termodynamika w skali maxi
Jedna z nich w Londynie zaś druga powstaje w byłym górniczym miasteczku Gateshead (1), w północnej Anglii. W tym drugim przypadku powstaje odwiert o głębokości 150 metrów w byłej kopalni węgla, zalanej obecnie wodą. Ta ma temperaturę średnio ok. 15°C, co stanowi dolne źródło, z którego pobierana jest przez czynnik termodynamiczny energia cieplna i jest sprężana oddając ciepło w skraplaczu o kilkakrotnie wyższej temperaturze.
Nazwa "pompa ciepła" jest użyta przez analogię do nazwy powszechnie znanej "pompy hydraulicznej". Zarówno "pompa hydrauliczna", jak i "pompa ciepła" potrzebują energii dostarczonej z zewnątrz. Kiedy ciepło płynie w naturalnym kierunku (od wyższej temperatury do niższej), przepływ tego ciepła może być wykorzystany do napędu silnika cieplnego podobnie jak przepływ wody płynącej grawitacyjnie z góry na dół napędza silnik hydrauliczny (turbinę wodną). Aby "zmusić" ciepło do płynięcia w odwrotnym kierunku (od temperatury niższej do wyższej) należy z zewnątrz dostarczyć energii do napędu, podobnie jak przy pompowaniu wody z dolnego zbiornika do górnego.
Sprężarkowe pompy ciepła realizują obieg termodynamiczny (obieg Lindego), będący odwróceniem obiegu silnika cieplnego. Ciepło jest pobierane przez parujący ciekły czynnik roboczy znajdujący się pod niskim, stałym ciśnieniem [ciepło przemiany fazowej] czynnik termodynamiczny (freon, amoniak, dwutlenek węgla) w parowniku (dolne źródło ciepła), i dalej jako para trafia do sprężarki, gdzie rośnie jej ciśnienie oraz energia wewnętrzna.
Para pod wysokim, stałym ciśnieniem oddaje ciepło, skraplając się w wymienniku ciepła - skraplaczu (górne źródło ciepła) i czynnik w postaci cieczy przez zawór dławiący, lub rurkę kapilarną, lub turbinę rozprężną gdzie następuje spadek ciśnienia, trafia z powrotem do parownika. Pompy ciepła wykorzystują jako dolne źródło energię cieplną niskotemperaturową (o niskiej energii) (w praktyce 0–60°C), trudne do innego praktycznego wykorzystania.
Projekt w Gateshead ma ogrzać pięć tysięcy gospodarstw domowych. Działająca również jako wielka pompa ciepła elektrownia Citigen ulokowana obok budynku władz portu londyńskiego dostarczać ma energii cieplnej z warstwy wodonośnej znajdującej się pod miastem do około tysiąca odbiorców.
Ściśle rzecz biorąc wielkie projekty pomp ciepła nie są nowością. W Szwecji podejmuje się takie projekty od lat 80. XX wieku. Największymi powstałymi pompami ciepła były dwa bloki o mocy 50 MW zlokalizowane w Göteborgu, które zostały uruchomione w 1986 roku. Te dwie jednostki są prawdopodobnie największymi mechanicznymi pompami ciepła, jakie kiedykolwiek powstały na świecie.
Wykorzystywane w szwedzkich projektach źródła ciepła to nadwyżki ciepła przemysłowego, woda występująca naturalnie w środowisku, woda ściekowa oraz inne źródła ciepła. Nadwyżka ciepła przemysłowego to odzysk ciepła niskotemperaturowego z procesów przemysłowych w zakresie 15–40°C. Woda otaczająca to głównie słona woda morska, woda z jezior i rzek oraz w mniejszym stopniu woda gruntowa. Temperatury wody otaczającej zmieniają się w zależności od pory roku i wynoszą od 2 do 14°C.
Ścieki to ścieki pochodzące z działalności człowieka; w niniejszej analizie wykorzystywane są przede wszystkim ścieki oczyszczone, których temperatura waha się od 12 do 20°C. Inne źródła to m.in. kondensaty gazów spalinowych, gdzie ciepło utajone w gazach spalinowych jest odzyskiwane poprzez kondensację pary wodnej, woda geotermalna, która jest wykorzystywana w jednym miejscu w południowej Szwecji, oraz chłodzenie komunalne, które produkuje ciepłe powietrze w zamian za chłodzenie.
W 1997 roku szwedzkie instalacje pomp ciepła osiągnęły ok. półtora tysiąca megawatów mocy. Największy udział w mocy zainstalowanej miało ciepło pochodzące ze ścieków, na drugim miejscu znalazła się woda z otoczenia, a na trzecim - nadwyżka ciepła z przemysłu.
Mirosław Usidus
