Niskoemisyjne technologie grzewcze zyskują na znaczeniu w związku z rosnącymi obawami o bezpieczeństwo energetyczne, podwyżkami cen konwencjonalnych źródeł energii, ale także coraz bardziej widoczną troską o stan środowiska naturalnego i wdrażaniem w życie idei zrównoważonego rozwoju oraz założeń gospodarki o obiegu zamkniętym. 

Jednym z najbardziej popularnych urządzeń grzewczych stają się pompy ciepła stosowane w instalacjach centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Zostały one w 2020 roku w ramach Europejskiego Zielonego Ładu zaklasyfikowane jako rozwiązanie sprzyjające dekarbonizacji ciepłownictwa, zrównoważona alternatywa dla ogrzewania gazowego czy olejowego. W ogłoszonym z kolei przez Komisję Europejską w maju br. planie RePowerEU, który stanowi europejską odpowiedź na agresję Rosji oraz sytuację na rynku paliw, jednym z elementów osiągnięcia bezpieczeństwa energetycznego ma być instalacja na kontynencie około 20 mln pomp ciepła do 2026 roku i prawie 60 mln do końca dekady.

Pompa ciepła – odwrócona lodówka

Pompa ciepła to urządzenie grzewcze zasilane ciepłem otoczenia. Źródłem tej energii mogą być: wody powierzchniowe, ciepło gruntu lub powietrze, a także ciepło odpadowe (z procesów przemysłowych, ścieki, woda w systemach ciepłowniczych).

Najprościej mówiąc, pompa ciepła działa na tej samej zasadzie, co lodówka, tylko na odwrót. Przesyła energię z miejsca o niższej temperaturze (tzw. źródło dolne) do miejsca o wyższej temperaturze (tzw. źródło górne). Do rozpoczęcia transportu ciepła potrzebna jest dodatkowa energia, np. ze sprężarki zasilanej energią elektryczną. 

Wymienniki ciepła, w których krąży niezamarzający płyn (czynnik chłodniczy), są umieszczane – w zależności od typu pompy (gruntowe, wodne, powietrzne) – w gruncie, w wodzie lub po prostu na zewnątrz budynku. Dzięki energii pobranej z otoczenia płyn paruje i trafia do sprężarki, która jeszcze podwyższa jego temperaturę. Rozgrzana para oddaje ciepło do instalacji grzewczej i wraca w postaci płynnej do wymiennika. 

Najtańszym (i najpowszechniejszym) rozwiązaniem są powietrzne pompy ciepła. Nie wymagają kosztownych odwiertów jak pompy gruntowe, ale są od nich mniej wydajne. Pompy wodne z kolei odznaczają się wyższą sprawnością niż pompy powietrzne, ale niemałe koszty generuje wykopanie studni głębinowych, gdy brak naturalnego zbiornika wodnego o odpowiedniej głębokości. Pompy ciepła mają wysoką sprawność: pozwalają uzyskać 3–5 razy więcej energii cieplnej w porównaniu z energią elektryczną pobraną z sieci.

W lecie pompy ciepła mogą z kolei pełnić funkcję pasywnej klimatyzacji,  dzięki zwrotnemu wychwytowi ciepła obniżają temperaturę nawet o kilka stopni.

Dla czystszego powietrza

Pompy ciepła są urządzeniami niskoemisyjnymi. Zastąpienie kotłów węglowych pompami ciepła znacznie ograniczyłoby emisje pyłów, tlenków siarki i azotu oraz dwutlenku węgla. Dom ogrzewany przez pompę ciepła emituje o 40 proc. mniej dwutlenku węgla niż dom ogrzewany węglem.  

Dzięki upowszechnieniu pomp ciepła w ogrzewnictwie indywidualnym i systemowym wzrosłaby efektywność energetyczna, zwiększyłby się udział energii odnawialnej w ciepłownictwie, a także poprawiłaby jakość powietrza, którym oddychamy. 

Do bazy CEEB do 1 lipca br. zgłoszono blisko 9,8 mln źródeł ciepła, z czego ponad 210 tys. pomp ciepła i aż 5,4 mln kotłów na paliwo stałe. Ponad dwie trzecie tych kotłów mieści się w najniższej klasie sprawności energetycznej. Zamiana generujących niską emisję źródeł na pompy ciepła umożliwiłaby ograniczenie rocznej krajowej emisji dwutlenku węgla o około 13 mln ton (to równowartość 36 proc. emisji z budynków ogrzewanych indywidualnie). 

Według analiz Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC) w 2030 roku w Polsce może funkcjonować 1,5 mln pomp ciepła używanych do  centralnego ogrzewania. Pozwoliłoby to na wyprodukowanie około 60 PJ ciepła z OZE – prawie dwa razy więcej niż wynosi obecny strumień ciepła ze źródeł odnawialnych w systemach ciepłowniczych. 

Termomodernizacja potrzebna od zaraz

W krajach UE istnieje 260 mln budynków, które zużywają ponad 40 proc. energii końcowej, z czego większość stanowi ciepło i chłód, oraz odpowiadają za 36 proc. wszystkich unijnych emisji dwutlenku węgla. Dlatego też w 2020 roku Komisja Europejska ogłosiła strategię, której celem jest poprawa efektywności energetycznej budynków. 

W Polsce fala renowacji wzbiera niespiesznie, tempo termomodernizacji jest u nas stosunkowo niskie, a potrzeby ogromne. Jak podaje GUS, 3,5 mln budynków mieszkalnych nie spełnia standardów efektywności energetycznej.  

Poprawa efektywności energetycznej budynków jest tymczasem podstawą skutecznej transformacji ciepłownictwa. Dzięki termomodernizacji energia będzie potrzebna nie tyle na ogrzewanie budynków, ile na ich dogrzanie. Jak twierdzą eksperci z Forum Energii, najprostszą drogą do zapewnienia komfortu cieplnego jest wykorzystanie urządzeń korzystających z energii elektrycznej. Technologią, która ma z tego punktu widzenia największą przyszłość, są właśnie pompy ciepła. Najlepiej jednak instalować je w budynkach nowych lub po termomodernizacji.

Pompy ciepła w ciepłownictwie miejskim za granicą

Wielkoskalowe pompy ciepła zasilane energią elektryczną wytwarzaną ze źródeł odnawialnych stanowią jeden z elementów dekarbonizacji sieci ciepłowniczych na zachodzie Europy. Stosuje się je głównie do zasilania w ciepło i chłód dużych obiektów oraz do wspomagania sieci ciepłowniczej. Oto przykłady najnowszych realizacji.

Od 2021 roku Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii w Niemczech finansuje program „Wielkoskalowe pompy ciepła w sieciach ciepłowniczych”. Do 2026 roku urządzenia o mocy od 1 do 22 MW zostaną zintegrowane z istniejącymi systemami ciepłowniczymi w Berlinie, Stuttgarcie, Mannheim i Rosenheim. 

Jedna z najpotężniejszych wielkoskalowych instalacji pomp ciepła na naszym kontynencie powstaje na terenie oczyszczalni ścieków w Wiedniu w dzielnicy Simmering. W połowie 2023 roku sześć pomp ciepła o łącznej mocy 55 MW dostarczy do systemu ciepłowniczego energię dla 56 tys. gospodarstw domowych. Do 2027 roku moc pomp ma wzrosnąć do 110 MW, zapewnią komfort cieplny 112 tys. gospodarstw. Dzięki tej inwestycji emisja dwutlenku węgla zmniejszy się o 300 tys. ton rocznie. 

Na inwestycje w pompy ciepła postawiły też spółki ciepłownicze w Danii. W kwietniu 2023 roku w Esbjerg nad Morzem Północnym zacznie działać pompa ciepła o mocy grzewczej 50 MW – największa na świecie pompa z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem chłodniczym. Dostarczy ciepło dla 25 tys. gospodarstw w Esbjerg, Varde i Nordby.  

Pompy ciepła w ciepłownictwie systemowym w Polsce

Wielkoskalowe pompy ciepła (zazwyczaj w połączeniu ze źródłami energii elektrycznej, np. instalacją PV) to także jeden z kierunków rozwoju ciepłownictwa systemowego w Polsce. Coraz już częściej możemy korzystać z ciepła systemowego, które zostalo wyprodukowane przy użyciu pomp ciepła.

W Szlachęcinie w Wielkopolsce, w sąsiedztwie oczyszczalni ścieków Aquanet, Veolia Energia Poznań uruchomiła innowacyjną instalację kogeneracyjną połączoną z pompą ciepła, odzyskującą ciepło ze ścieków. Moc elektryczna tej instalacji to około 1 MW, z czego 700 kW zostanie wykorzystanych do zasilenia pompy ciepła. Powstała nadwyżka, około 300 kW, będzie odbierana przez krajowy system energetyczny. Moc cieplna systemu, kogeneracji i pompy ciepła razem wynosi około 2,9 MW. Ciepło wygenerowane w Szlachęcinie będzie ogrzewać 5000 mieszkańców Murowanej Gośliny. 

 W Zakładzie Ciepłowniczym Brzeszcze (teren Zakładu Górniczego Brzeszcze) działający od 2018 roku układ odzysku ciepła z czterech kopalnianych sprężarek powietrza jest oparty na kaskadzie 18 pomp ciepła o łącznej mocy 1,4 MW. Podniesiony za ich pomocą do wyższej temperatury czynnik grzewczy jest doprowadzany do układu technologicznego ciepłowni, gdzie wykorzystuje się go do celów grzewczych oraz podgrzewu ciepłej wody użytkowej. W 2020 roku uruchomiony został układ odzysku ciepła z kolejnych dwóch kopalnianych sprężarek powietrza o łącznej mocy 0,34 MW, w którym poprzez wymiennik rurowy jest podgrzewany czynnik grzewczy z rurociągu powrotnego magistrali ciepłowniczej.

W Krakowie Miejskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej zastosowało innowacyjne rozwiązania dotyczące dostarczania energii w oparciu o układy energetyki rozproszonej. MPEC zainstalował powietrzne pompy ciepła o mocy 20 kW na potrzeby ogrzewania i ciepłej wody użytkowej z wtryskiem pary w budynkach wielorodzinnych przy ulicy Kuryłowicza i ulicy Kantorowickiej (tu wraz z instalacją fotowoltaiczną na potrzeby zasilania pompy ciepła).

Ile to kosztuje?

Koszt pompy zależy m.in. od: jej typu, lokalizacji, marki urządzenia, rozwiązań technologicznych czy inżynieryjnych, integracji z instalacją OZE… Cena pompy powietrznej wynosi od 15 tys. zł do 45 tys. zł, a gruntowej – od 35 tys. zł do 65 tys. zł. 

Pierwsi w Europie

Z powodu kryzysu energetycznego i wojny w Ukrainie pompy ciepła cieszą się w Polsce rekordową popularnością. W 2021 roku sprzedano prawie 93 tys. pomp ciepła. Według prognoz PORT PC, w 2022 roku sprzedaż pomp ciepła wyniesie około 180 tys. sztuk. Liczba sprzedanych pomp w tamtym roku przypadająca na jednego mieszkańca była wyższa w Polsce niż w Niemczech. Podobnie będzie w tym roku.