Technológia tepelných čerpadiel od minulosti po aktuálne výzvy

Jej minulosť je úzko previazaná so Slovenskom. A čo bude ďalej? Tepelné čerpadlá poháňané nízkoemisnou elektrickou energiou predstavujú ústrednú technológiu pri globálnom prechode na bezpečné a udržateľné vykurovanie a chladenie – využívajú sa všade tam, kde je potrebné efektívne vykurovať a chladiť.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Štandardne si túto technológiu spájame s budovami, priemyslom a CZT systémami, o čosi menej už s automobilmi a domácimi spotrebičmi. Je pritom až neuveriteľné, s akými výzvami sa tepelné čerpadlá dokážu popasovať a aké rozmanité sú ich prevádzkové podmienky. A je pravdepodobné, že svoju budúcnosť majú ešte len pred sebou.

Vraví sa, že budúcnosť formuje naša súčasnosť a minulosť. Ako je to v prípade tepelných čerpadiel na Slovensku? Ak sa pokúsime o detailnejší pohľad, zistíme, že existuje viacero skutočností, ktoré našu krajinu s touto technológiou úzko spájajú.

Minulosť tepelných čerpadiel 

Keď v roku 1712 Thomas Newcomen skonštruoval atmosférický parný stroj, ktorý sa využíval hlavne na čerpanie vody z baní, s najväčšou pravdepodobnosťou netušil, ako nepriamo ovplyvnil vývoj tepelných čerpadiel na Slovensku. Okolo Newcomena sa združovalo množstvo technikov, ktorí mu pomáhali s konštruovaním a ktorí sa po získaní potrebných vedomostí snažili uplatniť aj v iných regiónoch. Jedným z nich bol aj Isaac Potter.

Ten ponúkol myšlienku konštrukcie parného stroja habsburskej monarchii. V danom čase bol jedným z najrozvinutejších baníckych regiónov náš štiavnický región, v roku 1722 tak Potter inštaloval svoj „ohnivý stroj“ v Novej Bani. Stalo sa to len 10 rokov po objave predmetnej technológie, pričom údajne išlo o prvú konštrukciu parného stroja v kontinentálnej Európe.

Tento okamih sa dá považovať za začiatok rozvoja parných strojov v štiavnickom regióne. Silná pozícia baníctva v roku 1762 podnietila vznik technickej vzdelávacej inštitúcie s hodnosťou univerzity, Baníckej akadémie. Niektoré zdroje dokonca uvádzajú, že išlo o prvú technickú univerzitu v Európe.

V roku 1836 prichádza na túto prestížnu akadémiu študovať rodák z Nového Jičína Peter von Rittinger. Banícka akadémia a technicky rozvinutý región Banskej Štiavnice pomohli výrazne formovať jeho smerovanie k termodynamike. Už počas svojho pôsobenia v štiavnickom regióne zanechal v lokálnych baniach množstvo vynálezov a zlepšení, pričom jeho technická kompetentnosť nezostala nepovšimnutá.

Časom sa presunul do Viedne, kde v úlohe sekčného radcu pre všetky bane v habsburskej monarchii navrhol prvý prototyp tepelného čerpadla slúžiaceho na potreby ťažby soli v regióne Salzkammergut. Môžeme byť hrdí na to, že takmer pred 200 rokmi dokázala slovenská technická univerzita s podporou vysokorozvinutého regiónu produkovať skutočne významných objaviteľov.

Išlo však len o začiatok vplyvu Slovenska na vývoj tejto technológie. Jedným z najväčších benefitov tepelného čerpadla je to, že prostredníctvom neho dokážeme chladiť, pričom práve konštrukciu prvého tepelného čerpadla, ktoré dokázalo vykurovať, ale zároveň aj chladiť, mal na svedomí „otec parných turbín“ a osobný priateľ Alberta Einsteina Aurel Stodola.

V predvojnových rokoch riešilo Švajčiarsko problém, ako znižovať svoju závislosť od dovozu uhlia z Nemecka. Keďže disponovalo množstvom vhodných vodných zdrojov a pomocou vodných turbín dokázalo vyrábať elektrickú energiu, radnici v meste Zürich sa ponúkala pionierska myšlienka osadenia tepelného čerpadla ako najvýhodnejšieho technického riešenia.

Na tento inovatívny návrh vyčlenila radnica 27 000 švajčiarskych frankov. Firma Escher Wyss, kde pracoval Stodola ako odborný konzultant, nakoniec tepelné čerpadlo voda – voda s výkonom 100 kW nainštalovala iba za 24 090 frankov.

Systému namerali účinnosť 2,16. Ak by sme dnes inštalovali systém tepelného čerpadla do obdobnej budovy, výška investície by sa pohybovala pravdepodobne niekde okolo 80 000 € a sezónna účinnosť by mala bez problémov hodnotu 5. Stodolovo tepelné čerpadlo je tak krásnou ukážkou toho, ako cena technológie v čase klesá, zatiaľ čo jej účinnosť stúpa. 

Súčasnosť

Aktuálne uplatnenie tepelných čerpadiel na Slovensku treba vnímať v širších súvislostiach. Ide najmä o to, že v husto obývaných oblastiach je u nás dlhodobo využívané centralizované zásobovanie teplom a takisto máme pomerne širokú distribučnú sieť plynu. Na uplatnenie tepelných čerpadiel v Európe sa nedá zadefinovať jednotný vzorec, musíme prihliadať na špecifiká každej danej krajiny.

Aktuálne rozloženie prevádzky tepelných čerpadiel na Slovensku vyzerá ako na obr. 4. Uvedené údaje ukazujú, koľko obnoviteľnej energie produkujú tepelné čerpadlá. Do tejto štatistiky za započítavajú aj zariadenia slúžiace ako doplnkový zdroj tepla. Ak by sme spočítali len zariadenia, ktoré pokrývajú dominantnú potrebu tepla v 20-ročnom horizonte prevádzky, dospeli by sme približne k číslu 70 000. To je v porovnaní s inými zdrojmi tepla, ktoré máme na Slovensku v prevádzke, zďaleka najmenšie množstvo.

V prípade porovnania s inými krajinami dáta tiež jasne dokazujú, že potenciál tejto technológie sa u nás vonkoncom nenapĺňa. Fyzikálne zákony sú pritom rovnaké v každej časti zemegule a z hľadiska energetickej efektívnosti patrí táto technológia k energeticky najefektívnejším, pretože dokáže z jednej jednotky energie vyprodukovať 3 až 5 jednotiek tepla.

V každom regióne je však iná cena energie, ktorá vo veľkej miere determinuje efektívnosť tepelného čerpadla v porovnaní s inými technológiami z hľadiska ekonomickej návratnosti, keďže tepelné čerpadlo je investične náročnejšie ako iné zdroje tepla.

Pomer ceny elektriny a plynu sa na Slovensku výrazne orientuje v prospech plynu. Ide o historicky pochopiteľný fakt, pretože veľká časť tepla sa u nás produkuje práve z plynu a teplo je pri energiách jednoznačne najvyššia nákladová položka (to robí z tejto problematiky aj veľmi silnú politickú tému).

Väčšina európskych krajín, kde majú uvedený pomer takisto v prospech plynu, pristupuje v snahe znižovať emisie a diverzifikovať energetickú závislosť od jednej komodity k dotáciám, ktoré zatraktívňujú tepelné čerpadlá z ekonomického hľadiska. Žiaľ, jedna z najúspešnejších schém (Zelená domácnostiam) na Slovensku je už viac ako rok nefunkčná a len sa potvrdzuje, ako nepredvídateľnosť a nestabilita verejných politík negatívne ovplyvňujú trh.

Ak teda spojíme kombináciu nevhodného nastavenia cien tepelných čerpadiel a nedostupnosti podporných mechanizmov v podobe dotácií, uplatnenie tejto technológie je momentálne veľmi problematické.

V poslednom čase dochádza aj k intenzívnym diskusiám o negatívach Zelenej dohody. K pozitívam, ktoré majú najmä environmentálny charakter, je verejnosť, žiaľ, niekedy skeptická. Na Slovensku však máme aj konkrétne hmatateľné prínosy, predovšetkým v podobe investícií firiem do silnej výrobnej základne, ktoré dosiahli hodnotu 500 mil. € a zabezpečia vytvorenie viac ako 3 000 nových pracovných miest. Celková ročná výrobná kapacita Slovenska dosiahne viac ako 740 000 tepelných čerpadiel.

Komplexita uvedených výrobných závodov je veľmi vysoká, firmy preto plánujú investície v dlhodobom horizonte. Výrobný proces si zároveň vyžaduje množstvo automatizácie a až tak výrazne nezávisí od hodnoty ľudskej práce, ale skôr od efektívnosti celého procesu. To posúva výrobu smerom k produkcii s vyššou pridanou hodnotou, čo je pozitívne pre budúci vývoj Slovenska.

Jednoznačne to definujú aj nasledujúce fakty. Konštrukcia plynového kotla pozostáva približne zo 140 dielov, tepelné čerpadlo zo 400. Priestor na jednu výrobnú linku pre plynové kotly je približne 450 m² a dokáže produkovať 175 000 ks zariadení, pri tepelných čerpadlách potrebujeme približne 1 200 m² – na tomto priestore sa následne vyprodukuje približne 35 000 zariadení.

Okrem budov, priemyslu a CZT systémov je pri rozvoji tepelných čerpadiel silným segmentom aj automobilový priemysel. Zvyšujúci sa predaj elektromobilov podporuje výrobu tepelných čerpadiel, pretože na rozdiel od automobilu so spaľovacím motorom, elektromobil potrebuje teplo vyrábať energeticky efektívne tak, aby čo najviac energie zostalo na pohon elektromobilu, a to je hlavná úloha tepelného čerpadla.

Fyzikálne spôsoby fungovania tejto technológie sú stále rovnaké, ale mobilita automobilu vytvára množstvo špecifík. Je zaujímavé sledovať, že výkon tepelného čerpadla v elektromobile nižšej strednej triedy je približne 5 až 6 kW, čo zodpovedá približne potrebe tepla rodinného domu s podlahovou plochou 150 m². Konštrukcia tepelného čerpadla v elektromobile sa však musí popasovať s úplne inými vstupnými faktormi pre efektívnu prevádzku.

Aj niektoré komponenty tepelného čerpadla majú pri elektromobiloch rozdielne využitie ako pri budovách. Napríklad pri rodinnom dome slúži na prepínanie režimu štvorcestný ventil. To je pri elektromobiloch nemožné, preto sa to rieši kombináciou viacerých, väčšinou trojcestných ventilov.

Expanzný ventil má tiež svoje špecifiká. Pomerne veľké rozdiely sú aj pri kompresore a výmenníkoch tepla. Kompresor je v prvom rade prispôsobený otrasom a dosahuje až 8 000 ot./min, čo si vyžaduje špecifický systém mazania a výrazne vyšší objem oleja v chladive – až 10 % (pri rodinných domoch ide len o 2 %).

Konštrukcia výmenníkov sa takisto líši: pri elektromobiloch dokáže zabezpečiť väčší prietok vzduchu a je prispôsobená vyrovnávaniu teploty vo vozidle s teplotou okolia a pri rannom nábehu, keď sú teploty na oboch výmenníkoch nízke. A aj napriek tomu je zabezpečený ohrev kabíny vozidla na komfortnú úroveň do niekoľkých minút. Tieto fakty skutočne jasne ukazujú, s akými rozdielnymi prevádzkovými stavmi sa dokáže vyrovnať konštrukcia tepelného čerpadla, a to sme ešte nespomenuli jej použitie v sušičkách bielizne a umývačkách riadu.

Segment budov a dopravy spája masívne využívanie fosílnych palív a vysoká produkcia emisií CO₂. Ich znižovanie sa dosahuje pri budovách systémami vykurovania na báze tepelných čerpadiel a v doprave elektromobilitou, pričom obe možnosti aktuálne zápasia s rovnakými problémami.

Jednak ide o vyššiu investičnú náročnosť, ktorá je určite jednou z najväčších bariér širšieho využitia, a jednak o možnosť ekologickej alternatívy. Tú môžu oba segmenty nájsť vo využití vodíka, ktoré je však zatiaľ v teoretickej a skúšobnej rovine. Bude zaujímavé sledovať, ako bude technologický vývoj napredovať.

Budúcnosť

Implementácia technológie tepelných čerpadiel bude v budúcnosti intenzívne podporovaná aj novou legislatívou v oblasti energetickej hospodárnosti budov, ktorá požaduje budovy v nízkoemisnom štandarde a uplatňovanie zásady „energy efficiency first“. Ak teda na Slovensku táto technológia aktuálne zaostáva za európskym štandardom, je pravdepodobné, že jej rozvoj sa v budúcnosti zintenzívni.

Do popredia sa budú dostávať aplikácie s využívaním odpadového tepla, ktoré táto technológia dokáže pomocou svojho multiplikačného efektu previesť z nízkopotenciálnej na vysokopotenciálnu úroveň. Dnes si už tepelné čerpadlá dokážu poradiť s produkciou teploty 90 °C, vo fáze prototypov je 100 až 150 °C a laboratórne modely dokážu produkovať aj teplotu 200 °C. S využitím potenciálu odpadového tepla sa bude táto technológia v budúcnosti formovať aj ako dôležitá v oblasti priemyselnej výroby tepla.

Osadzovanie OZE pri výrobe elektriny bude prinášať jej neustále sa meniacu cenu na spotových burzách. Využitie v teplárenstve nebude mať za následok len signifikantnú dekarbonizáciu tepla, ale zároveň zo systémov CZT spraví výrazný stabilizačný prvok našej energetickej infraštruktúry.

Tvrdenie, že využívanie tepelných čerpadiel prispeje k rýchlemu kolapsu našej energetickej siete, preto nie je korektné. V každom prípade však medzi odbornou verejnosťou na Slovensku nepanuje názor, že touto technológiou sa majú nahradiť úplne všetky zdroje tepla.

Zvyšujúci sa európsky dopyt bude mať pozitívny vplyv aj na naše výrobné kapacity a práve tie budú pravdepodobne stimulovať tvorbu výskumných a vývojových stredísk, ktoré budú zabezpečovať inovácie v tejto oblasti.

Na Slovensku máme viacero technických univerzít, ktoré dokážu nadviazať na tradíciu štiavnickej Banskej akadémie a prispieť k tomu, aby sme v budúcnosti boli okrem špičky v produkcii tejto technológie aj špičkou v súvisiacej vedecko-výskumnej činnosti. Základnú podmienku pre vedecko-výskumnú činnosť, ktorou je mať dostatočné výrobné zázemie, spĺňame, Slovensko by preto naozaj malo výraznejšie staviť na túto kartu.

Automobilový priemysel je najrozvinutejším priemyslom, čo, samozrejme, pritiahlo na naše územie aj subdodávateľov klimatizácií. Existuje silný predpoklad, že výrobné kapacity budú odrážať zmeny na trhu a z našich výrobných liniek tak bude schádzať viac elektromobilov.

To vyvolá aj zmeny u dodávateľov klimatizácií, ktorí by mohli svoje výrobné kapacity smerovať k technológii tepelného čerpadla, pretože aktuálnou produkciou autoklimatizácií k nej majú veľmi blízko. Ako sme už spomenuli, fyzikálne spôsoby fungovania tejto technológie sú rovnaké pri budove aj pri automobile, čo predstavuje ďalšiu synergiu pri budovaní odborných kapacít a školského systému v oblasti tepelných čerpadiel.

Komplexita technológie tepelných čerpadiel dokáže prinášať benefity aj pri vyššej integrácii s digitalizáciou. Ak budeme mať k dispozícii údaje o spotrebe energií existujúcich budov, pomocou hydrometeorologických údajov budeme vedieť oveľa presnejšie navrhnúť typ vhodného tepelného čerpadla a presný požadovaný výkon, čím sa zabráni zbytočnému predimenzovávaniu a optimalizujú sa investičné náklady.

Výrobcovia však dokážu priniesť zmeny v budúcnosti nielen zvyšovaním efektívnosti a optimalizáciou cien, ale aj pomerne jednoduchými riešeniami, ako sú harmonizácia poruchových kódov a prevádzkovej a inštalačnej literatúry. Efektivita servisu sa výrazne zvýši, keď budú všetky tepelné čerpadlá „rozprávať rovnakou rečou“ a výrazne sa zjednoduší a zrýchli odstraňovanie porúch. Servisní technici by tak dokázali byť oveľa efektívnejší ako dnes a zároveň by mohli mať aj atraktívne platové ohodnotenie, pričom ceny servisu a inštalácií by mohli v dôsledku zvyšovania efektívnosti v celom procese klesať.

Využitie digitalizácie a optimalizácie spolu s prepojením na iné OZE môže byť atraktívne pre všetkých, ktorí sú zapojení do návrhu, inštalácie a servisu tepelných čerpadiel. Atraktivita prinesie do segmentu aj množstvo inteligentných ľudí, schopných sprocesovať také ekologické riešenia, s ktorými budú koncoví užívatelia spokojní. A to je asi tá najvyššia devíza, ktorú nám môže priniesť budúcnosť tepelných čerpadiel.

TEXT A FOTO: Ing. Vladimír Orovnický

Článok bol uverejnený v časopise TZB 3/2024