Vysokoteplotní tepelná čerpadla

Běžně známá tepelná čerpadla slouží k vytápění domů, bytů, provozoven a podobně. Pracují s relativně nízkými výstupními teplotami topného média (zhruba do 90 °C). Na stejném fyzikálním principu fungují i velká (vysokoteplotní) tepelná čerpadla, určená pro průmysl a také pro energetiku – teplárny a fosilní i jaderné elektrárny. Všude tam zvyšují efektivitu výroby.

Výtah z článku, který vyšel v časopise Energie 21 č. 5/2019.

Pro zvýšení efektivity výroby energie v teplárnách a elektrárnách mohou sloužit i velká (vysokoteplotní) tepelná čerpadla (TČ). Článek uvádí teoretické principy těchto propojení a ukazuje příklady konkrétních zařízení.

Budoucnost tepláren v Česku se v současnosti nejeví příliš optimisticky. Důvodem jsou jednak vysoké ceny emisních povolenek, jednak vstupů (elektřiny, zemního plynu, uhlí a biomasy), resp. jejich nedostatek.

Teoreticky jsou možné čtyři varianty, jak mohou teplárny řešit problém palivové základny (jejich nedostatku, resp. nevhodnosti kvůli emisím či bezpečnosti).

– Varianta A: Mohou odebírat teplo z jaderných elektráren (JE). Platí to zejména pro teplárny ve vzdálenosti do 60 km od JE, v případě velké spotřeby tepla až do 100 km – např. odběr z Jaderné elektrárny Temelín (JETE) do Prahy. Již nyní to může být odběr ze stávajících jaderných elektráren – JETE a Jaderné elektrárny Dukovany (JEDU), po roce 2035 i z nového jaderného zdroje (NJZ) JEDU 5, později možná z JETE 3, 4, JEDU 6 nebo z JE v dalších lokalitách (např. na severu Čech).

– Varianta B: Prozatím méně pravděpodobný (ale ne vyloučený) je odběr tepla z malých modulárních jaderných tepláren SMR (Small Modular Reactors), postavených v lokalitách současných tepláren. Mohou být například na bázi amerického bloku NuScale (výkon kolem 60 MWe) – letos byla mezi MPO a vývojově-dodavatelskou americkou společností NuScale podepsána dohoda o spolupráci.

– Varianta C: Teplárny mohou nejméně do období let 2035/2040 aplikovat především různé technologické „chytrosti“, již známé a používané, ale jejich kombinace vytváří nové možnosti. Patří sem zejména:

- Power-to-Heat (e-kotel), zdroj horké vody, případně zdroj páry.

- Akumulátory (horkovodní nebo parní).

- Battery Energy Storage Systems (BESS), dosud použití pro dodávku PpS (Služeb výkonové rovnováhy) pouze v rámci „fiktivního bloku“, nikoliv samostatně.

- Potlačené vakuum/kondenzace u parních teplárenských turbín.

- Náhrada redukčních a chladicích stanic RCHS (ztráty škrcením) energeticky efektivnějšími točivými parními redukcemi, navíc s výrobou elektrické energie.

- Zvýšit efektivitu výroby tepla využitím velkých (vysokoteplotních) TČ.

– Varianta D: Nevyčerpatelný bezemisní energetický zdroj (NBeZ) jako totální náhrada za fosilní zdroje (bez omezení horní hranice výkonu), ovšem pro konkrétní zdroj k tomu musí být splněny určité lokální podmínky.

Jednou z oblastí pro využití velkých (vysokoteplotních) TČ jsou vysoké teploty topné látky, což mohou být energetické spaliny, horké plyny, páry a kapaliny, geotermální voda apod., jež se používají při výrobě elektřiny. V minulosti již byla realizována zařízení, kde jsou pro pohon generátoru a výrobu elektrického proudu využity turbíny na chladivo (na jednom hřídeli kompresoru, nebo místo něj), zařazené do cyklu TČ (mohou zde být použita i dvě chladiva).

Tepelná čerpadla se již v minulosti uplatnila  při zvýšení flexibility jaderných elektráren s odběrem tepla (JEOT). Termodynamicky je totiž evidentní, že energetická účinnost η_xy [%] jaderného bloku je závislá i na odebíraném tepelném výkonu a technologickém řešení. Použitelná jsou dvě technologická řešení odběru tepla a ohřevu s využitím tepelných čerpadel:

- zvyšování teploty odpadního tepla pomocí kompresorových tepelných čerpadel (KTČ),

- zvyšování teploty odpadního tepla pomocí absorpčních tepelných čerpadel (ATČ).*

Ing. Petr Neuman, CSc., NEUREG sdružení Praha

Obrázky:

Teplárna v norském městě Drammen s 64 tis. obyvateli využívá vysokoteplotní tepelná čerpadla. Foto archiv/Star