Výzkumníci vedení Imperial College London analyzovali optimální účinky různých druhů tepelných čerpadel vzduch-voda na energetický systém Spojeného království. A to na základě jejich koeficientu výkonu a ceny. Identifikovali také bod klesající návratnosti, po kterém se jeví nákladově efektivnější investovat do centralizované výroby a skladování energie.
Mezinárodní výzkumný tým integroval technicko-ekonomické modely tepelných čerpadel do modelu celého energetického systému. A to proto, aby prozkoumal optimální dopad širšího přijetí rezidenčních tepelných čerpadel vzduch-voda na energetický systém Spojeného království.
Jejich analýza se založila na datech z více než 100 komerčně dostupných produktů. S nimi vyvinuli termodynamický a komponentní model tepelných čerpadel.
„Očekává se, že plně obnovitelný elektrický systém bude vyžadovat vysoký podíl větrných a solárních technologií. Dále rozšíření a posílení energetické sítě a rozsáhlé skladování energie,“ uvedli. ,,Tyto systémové důsledky do značné míry závisí na ceně a výkonu tepelných čerpadel. Ty jsou zase ovlivněny výběrem komponentů, potřebou tepla a provozními podmínkami.“
Optimální analýza technicko-ekonomických modelů tepelných čerpadel
Po analýze trhu vědci seskupili tepelná čerpadla na základě tří různých typů kompresorů – pístových, rotačních a spirálových. A dále podle deseti aktuálních a potenciálních pracovních kapalin a řady ploch výměníků tepla od 0,5 m2 a 4 m2. Ve všech případech se kompresor dimenzuje na maximální tepelný výkon 10 kW.
Prostřednictvím této analýzy skupina zjistila, že na úrovni tepelného čerpadla jsou průměrné náklady na vratné písty, rotační lopatkové a spirálové kompresory rovny 76 tis. Kč, 23 tis. Korun a 80 tis. Kč. Analýza také ukázala, že koeficient výkonu (COP) se pohybuje mezi 1,6 a 3,8. A že vyšší COP lze dosáhnout větší kapitálovou investicí do komponent.
Mezi deseti pracovními kapalinami měl čpavek nejlepší výkon s nejvyšším COP 2,8 a nejnižšími vyrovnanými náklady na teplo (LCOH) asi 5,03 Kč/kWh. Pracovní kapalina R1234yf měla nejhorší COP asi 2,3 a LCOH 6,50 Kč/kWh. Nejvyšší LCOH asi 6,65 Kč/kWh byl u butanu, který měl také COP asi 2,75.
Hodnocení také ukázalo, že většina vysoce výkonných (COP větší nebo rovný 3,2) a nákladných (cena více než 22 tis. Kč/kWth) tepelných čerpadel měla velké výměníky tepla a rotační lamelové nebo spirálové kompresory. Většina nízkovýkonných (COP malý nebo rovný 2,8) a levných (cena nižší než 17 700 Kč/kWth) zahrnovala malé výměníky tepla a rotační lamelové kompresory.
Výsledky i možné důsledky analýzy
Aby se mohly vyvodit důsledky pro energetický systém Spojeného království jako celek až do roku 2050, výsledná data se vložila do modelu infrastruktury a technologie tepla, elektřiny a plynu (HEGIT).
„HEGIT je integrovaný víceúrovňový model plánování kapacity systému vytápění, elektřiny a plynu a jednotkový závazek. Ten se používá k současné optimalizaci instalačních a provozních strategií technologií poháněných elektřinou, plynem a teplem celé energetiky systému,“ vysvětlili akademici. „Cílem modelu je minimalizovat celkové náklady na systém potřebné k dosažení systému s nulovou spotřebou energie. A to vše při splnění všech environmentálních cílů a zachování bezpečnosti dodávek HEGIT.“
Podle výsledků, které vědci získali z HEGIT, může použití vysoce výkonných/nákladových tepelných čerpadel podstatně snížit potřebnou kapacitu výroby elektřiny až o 50 GW. To je asi o 20 % méně než u nízkovýkonných/levných jednotek. „To se zdá důležité, protože to znamená, že velký odběr vysoce výkonných tepelných čerpadel může výrazně snížit rozšiřování energetické sítě. Ale taky může snížit optimální míru zavádění technologií. Ty jsou nutné k dosažení environmentálních cílů země,“ zdůraznili.
Zjistili také, že různé konstrukce tepelných čerpadel se spojují s kapacitou výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů. Zejména solární FV. ,,Nízkovýkonná tepelná čerpadla se spojují s až o 9 GW vyšší kapacitou výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů (z toho 7 GW je solární FV) instalovanou v energetickém systému než vysoce výkonná tepelná čerpadla,“ uvedli.
Energetický systém
Kromě toho akademici zjistili, že zatímco dražší čerpadla vedou k lepšímu COP a menší výrobní kapacitě, existuje bod klesající návratnosti. Optimální kompromis mezi dosažením energetického přechodu a minimalizací požadovaných vládních investic a investic koncových uživatelů se podle nich nalezla u tepelných čerpadel s COP mezi 2,8 a 3,2.
„Z hlediska energetického systému mají návrhy, které minimalizují celkové náklady na systém, COP 2,8, 3, 3,2 a 3 při použití R410a, R32, čpavku nebo propanu jako pracovní tekutiny,“ uzavřeli. ,,Namísto investic do dalších vylepšení COP tepelných čerpadel nad rámec těchto návrhů zjištění naznačují, že se jeví ekonomicky výhodné investovat do zvýšeného centralizovaného skladování energie, zachycování a ukládání uhlíku (CCS). Ale např. i do výroby obnovitelné energie.“
Jejich výsledky se prezentovaly ve studii „Směrem k optimálním návrhům domácích tepelných čerpadel vzduch-voda pro energetický systém s nulovými emisemi uhlíku ve Spojeném království“. Ta se zveřejnila na Cell Reports Sustainability. Skupina zahrnovala vědce z britské Imperial College London a Kyperské univerzity.
Zdroj: pv-magazine, Vapol
