1 rok temu
To był problem inżynierski, który nurtował Zhibina Yu od lat – ale teraz miał doskonałą okazję, aby go rozwiązać. Zaszyty w domu podczas pierwszego lockdownu Wielkiej Brytanii w czasie pandemii Covid-19, inżynier zajmujący się ciepłownictwem miał nagle cały czas, którego potrzebował, aby udoskonalić wydajność pomp ciepła: urządzeń elektrycznych, które, jak sama nazwa wskazuje, przenoszą ciepło z zewnątrz do budynków mieszkalnych.
Pompy są znacznie bardziej wydajne niż grzejniki gazowe, ale standardowe modele tych urządzeń, które absorbują ciepło z powietrza, są podatne na zamarzanie, co znacznie zmniejsza ich skuteczność.
Yu, który pracuje na Uniwersytecie w Glasgow w Wielkiej Brytanii, zastanawiał się nad tym problemem tygodniami. Czytał prace za pracą. I wtedy wpadł na pomysł. Większość pomp ciepła marnuje część wytwarzanego przez siebie ciepła. Zrozumiał, iż gdyby udało mu się wychwycić to ciepło i skierować je na inne tory, mógłby rozwiązać problem z zamarzaniem i zwiększyć ogólną wydajność pomp. „Nagle znalazłem rozwiązanie pozwalające na odzysk ciepła” – wspomina. „To był naprawdę niesamowity moment”.
Pomysł Yu jest jednym z kilku ostatnich odkryć, które mają na celu uczynienie 200-letniej technologii pomp ciepła jeszcze bardziej wydajną niż jest teraz, potencjalnie otwierając drzwi do znacznie większego rozpowszechnienia tych urządzeń na całym świecie. Według Międzynarodowej Agencji Energii (IEA), do tej pory tylko około 10 procent zapotrzebowania na ogrzewanie pomieszczeń na świecie jest zaspokajane przez pompy ciepła. Jednak ze względu na obecny kryzys energetyczny i rosnącą presję na zmniejszenie zużycia paliw kopalnych w celu przeciwdziałania zmianom klimatu, urządzenia te są prawdopodobnie bardziej najważniejsze niż kiedykolwiek.
Od czasu lockdownu w 2020 roku Yu i jego koledzy zbudowali działający prototyp pompy ciepła, która przechowuje resztki ciepła w małym zbiorniku na wodę. W artykule opublikowanym latem 2022 roku opisują, jak ich projekt pomaga pompie ciepła zużywać mniej energii. Dodatkowo, dzięki osobnemu przekierowaniu części tego ciepła resztkowego do elementów pompy ciepła wystawionych na działanie zimnego powietrza, urządzenie może się samo odmrażać w razie potrzeby, bez konieczności wstrzymywania dostaw ciepła do domu.
„Jeśli można przechwycić ciepło, można je wykorzystać”. Pompy ciepła wyróżniają się tym, iż nie tylko wytwarzają ciepło, ale także przechwytują ciepło z otoczenia i przenoszą je do domu – ewentualnie przekazują je np. do grzejników lub instalacji grzewczej. Jest to możliwe dzięki czynnikowi chłodniczemu, który przepływa wewnątrz pompy ciepła. Gdy czynnik chłodniczy napotka ciepło – choćby niewielkie ilości w powietrzu w zimny dzień – pochłania tę odrobinę ciepła.
Następnie sprężarka wytwarza wyższe ciśnienie czynnika chłodniczego, co podnosi jego temperaturę do punktu, w którym może on ogrzewać dom. Działa to w ten sposób, iż wzrost ciśnienia powoduje zbliżenie cząsteczek czynnika chłodniczego, co zwiększa ich ruch. Później czynnik chłodniczy ponownie się rozszerza, co powoduje jego ochłodzenie, a cykl się powtarza. Cały cykl może przebiegać również w odwrotnym kierunku, dzięki czemu pompy ciepła mogą zapewnić chłodzenie, gdy latem jest gorąco.
Magia pompy ciepła polega na tym, iż może ona przenieść wiele kilowatogodzin ciepła na każdą kWh energii elektrycznej, którą zużywa. Wydajność pompy ciepła mierzy się zwykle współczynnikiem efektywności (COP). Na przykład COP równy 3 oznacza, iż 1 kWh energii elektrycznej daje 3 kWh ciepła – to efektywnie 300% wydajności. Współczynnik COP, jaki uzyskujemy z urządzenia, może się różnić w zależności od pogody i innych czynników.
Jest to potężna koncepcja, ale również stara. Już w 1852 roku brytyjski matematyk, fizyk i inżynier Lord Kelvin zaproponował wykorzystanie systemów pomp ciepła do ogrzewania pomieszczeń. Pierwsza pompa ciepła została zaprojektowana i zbudowana kilka lat później i była wykorzystywana w przemyśle do podgrzewania solanki w celu wydobycia z niej soli. W latach 50. ubiegłego wieku członkowie brytyjskiego parlamentu dyskutowali o pompach ciepła, gdy zapasy węgla były na wyczerpaniu. A w latach po kryzysie naftowym (1973-74) pompy ciepła były wychwalane jako alternatywa dla paliw kopalnych do ogrzewania. „Nadzieja spoczywa w pompach ciepła przyszłości” – napisał jeden z komentatorów w Annual Review of Energy z 1977 roku.
Teraz świat stoi w obliczu kolejnego rozrachunku z dostawami energii. Kiedy Rosja, jedno z największych na świecie źródeł gazu ziemnego, zaatakowała Ukrainę w lutym 2022 roku, cena gazu gwałtownie wzrosła – co z kolei sprawiło, iż pompy ciepła znalazły się w centrum uwagi, ponieważ z nielicznymi wyjątkami działają one na prąd, a nie na gaz. W tym samym miesiącu, ekolog Bill McKibben napisał szeroko udostępniany wpis na blogu zatytułowany „Pompy ciepła dla pokoju i wolności”, w którym, odnosząc się do prezydenta Rosji, argumentował, iż Stany Zjednoczone mogą „pokojowo uderzyć Putina w nerki” poprzez wprowadzenie pomp ciepła na masową skalę, jednocześnie zmniejszając zależność Amerykanów od paliw kopalnych. Pompy ciepła mogą pobierać energię na przykład z domowych paneli słonecznych lub z sieci energetycznej zasilanej głównie przez źródła odnawialne.
Uruchomienie urządzeń działających na zielonej energii elektrycznej może również pomóc w walce ze zmianami klimatu, zauważa Karen Palmer, ekonomistka i starszy współpracownik w Resources for the Future, niezależnej organizacji badawczej w Waszyngtonie, która jest współautorką analizy polityki zwiększania efektywności energetycznej w Annual Review of Resource Economics z 2018 roku. „Przejście w kierunku większego wykorzystania energii elektrycznej na potrzeby energetyczne w budynkach będzie musiało się wydarzyć, nie licząc przełomu technologicznego również w innych obszarach”.
IEA szacuje, iż w skali globalnej pompy ciepła mogą zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o co najmniej 500 milionów ton w 2030 roku, co odpowiada rocznej emisji CO2 wytwarzanej przez wszystkie samochody w dzisiejszej Europie.
Pomimo długiej historii i potencjalnych zalet, pompy ciepła z trudem upowszechniają się w niektórych krajach. Jednym z powodów są koszty: Urządzenia te są znacznie droższe od gazowych jednostek grzewczych, a ponieważ gaz ziemny pozostawał stosunkowo tani przez dziesięciolecia, właściciele domów mieli niewielką motywację do zmiany.
Od dawna panuje również przekonanie, iż pompy ciepła nie działają tak dobrze w zimnym klimacie, zwłaszcza w słabo izolowanych domach, które wymagają dużej ilości ciepła. Na przykład w Wielkiej Brytanii, gdzie domy mają tendencję do bycia raczej przeciągowymi, niektórzy właściciele domów od dawna uważają kotły gazowe za bezpieczniejszy wybór, ponieważ mogą one dostarczać gorętszą wodę (około 60 do 70 stopni Celsjusza) do grzejników, co ułatwia ogrzanie pomieszczenia. Natomiast pompy ciepła są zwykle najbardziej wydajne przy ogrzewaniu wody do około 38 stopni Celsjusza.
Problem zimnego klimatu jest jednak prawdopodobnie mniejszy niż się niektórym wydaje, biorąc pod uwagę, iż na rynku istnieje wiele nowoczesnych urządzeń wykorzystujących powietrze, które działają dobrze choćby wtedy, gdy temperatury zewnętrzne spadają do -23 stopni Celsjusza. Na przykład Norwegia jest uważana za jednego ze światowych liderów we wdrażaniu tych urządzeń.
Innowacje w konstrukcji pomp ciepła prowadzą do powstania urządzeń, które są jeszcze bardziej wydajne, lepiej dostosowane do domów o niskim poziomie izolacji i – potencjalnie – również tańsze. Na przykład Yu twierdzi, iż opracowana przez niego i jego kolegów nowatorska konstrukcja powietrznej pompy ciepła może poprawić współczynnik COP o 3 do 10 procent, kosztując jednocześnie mniej niż istniejące konstrukcje pomp ciepła o porównywalnej funkcjonalności. w tej chwili poszukują oni możliwości komercjalizacji tej technologii.
