Pompy ciepła w porównaniu z kogeneracją

Wydawało mi się kiedyś, że korzyści z kogeneracji są oczywiste. „To przecież jasne, że powinniśmy używać ciepła zrzucanego z elektrowni do ogrzewania budynków, zamiast wypluwać je wieżą chłodniczą!”

Niemniej jednak, przyjrzawszy się uważnie liczbom dotyczącym funkcjonujących systemów kogeneracyjnych, doszedłem do wniosku, że istnieją lepsze sposoby produkowania energii elektrycznej i cieplnej.

Posłużę się wykresem, który zbuduję trzyetapowo. Wykres pokaże, ile energii elektrycznej lub cieplnej można pozyskać z energii chemicznej. Oś pozioma zilustruje sprawność elektryczną, a oś pionowa – sprawność cieplną.

Systemy standardowe bez kogeneracji

W pierwszym etapie zilustrujemy zwykłe elektrownie (produkujące tylko prąd) i systemy grzewcze (produkujące tylko ciepło).

Kotły kondensacyjne (Rys. 21.wykres_1.) (kropka po lewej, na górze, A) mają sprawność rzędu 90%, ponieważ 10% ciepła ucieka kominem. Brytyjskie elektrownie gazowe (kropka na dole, po prawej, B) obecnie przekształcają energię chemiczną z gazu na energię elektryczną ze sprawnością 49%. By uzyskać z gazu dowolny mix prądu i ciepła, należy spalić odpowiednią ilość gazu oddzielnie w elektrowni i w kotle. „Nowoczesne rozwiązanie standardowe” polegać więc będzie na produkcji prądu i ciepła w dwóch oddzielnych systemach, a może charakteryzować się każdą sprawnością elektryczną i cieplną na linii A-B.

By umieścić te dane w kontekście historycznym, na wykresie ilustrujemy również przestarzałe systemy produkcji ciepła (zwykły kocioł niekondensacyjny o sprawności 79%) i produkcji prądu sprzed kilku dekad (elektrownia węglowa o sprawności wytwarzania energii elektrycznej 37%).

Kogeneracja

Teraz dodamy do wykresu systemy kogeneracyjne, które energię chemiczną przekształcają jednocześnie w prąd i ciepło (Rys. 21.wykres_2.) .

Zapełnione kropki ilustrują średnią wydajność systemów kogeneracyjnych w Wielkiej Brytanii, pogrupowanych według typu. Puste kropki oznaczone jako „CT” ilustrują wydajność idealnych systemów kogeneracyjnych na podstawie danych Carbon Trust; puste kropki oznaczone jako „Nimbus” oparte są na specyfikacjach produktów przygotowanych przez producenta. Kropki oznaczone jako „ct” ilustrują dane Carbon Trust dla dwóch rzeczywiście funkcjonujących systemów (w szpitalu Freemana i hotelu Elizabeth House).

Należy zauważyć, że sprawność elektryczna systemów kogeneracyjnych jest znacznie niższa niż 49-procentowa sprawność zwykłej elektrowni gazowej.

Ciepło nie jest więc „darmowym produktem ubocznym”. Zwiększenie produkcji ciepła obniża produkcję prądu.

Powszechnie stosuje się zabieg wrzucania obu liczb (sprawność wytwarzania tej – i tak o turbinach parowych przeciwprężnych dostarczających 10% prądu i 66% ciepła powie się, że mają sprawność 76%. Sądzę jednak, że to mylący sposób sumowania wydajności. Koniec końców, mierząc taką miarą, musielibyśmy uznać, że kocioł kondensacyjny o sprawności 90% jest „bardziej efektywny” niż cały system kogeneracyjny! W rzeczywistości prąd jest cenniejszy niż ciepło.

Wiele kropek ilustrujących na wykresie kogenerację wypada lepiej niż „przestarzałe standardowe metody działania” (produkowanie prądu z węgla i ciepła w kotłach tradycyjnych). Idealne systemy kogeneracyjne wypadają nieco lepiej niż „nowoczesne standardowe metody działania” (produkowanie prądu z gazu, a ciepła w kotłach kondensacyjnych). Musimy jednak brać pod uwagę, że te nieco lepsze osiągi podlegają pewnym ograniczeniom – system kogeneracyjny dostarcza ciepło tylko do miejsc, z którymi jest połączony, a kotły prądu i sprawność wytwarzania ciepła) do jednego worka sprawności całkowitej – i tak o turbinach parowych przeciwprężnych dostarczających 10% prądu i 66% ciepła powie się, że mają sprawność 76%. Sądzę jednak, że to mylący sposób sumowania wydajności. Koniec końców, mierząc taką miarą, musielibyśmy uznać, że kocioł kondensacyjny o sprawności 90% jest „bardziej efektywny” niż cały system kogeneracyjny! W rzeczywistości prąd jest cenniejszy niż ciepło.

Wiele kropek ilustrujących na wykresie kogenerację wypada lepiej niż „przestarzałe standardowe metody działania” (produkowanie prądu z węgla i ciepła w kotłach tradycyjnych). Idealne systemy kogeneracyjne wypadają nieco lepiej niż „nowoczesne standardowe metody działania” (produkowanie prądu z gazu, a ciepła w kotłach kondensacyjnych). Musimy jednak brać pod uwagę,że te nieco lepsze osiągi podlegają pewnym ograniczeniom – system kogeneracyjny dostarcza ciepło tylko do miejsc, z którymi jest połączony, a kotły kondensacyjne mogą być instalowane wszędzie tam, gdzie jest dostęp do gazu.

W porównaniu do standardowych metod działania systemy kogeneracyjne nie dają elastyczności w zakresie stosunku produkowanego prądu do ciepła – system jest wydajny, kiedy produkuje określony mix prądu i ciepła. Ten brak elastyczności przekłada się na marnotrawstwo, na przykład ciepła – w przeciętnym domu zapotrzebowanie na prąd wzrasta okresowo i w niewielkim stopniu pokrywa się z zapotrzebowaniem na ciepło. Dodatkowo, kiedy małe systemy kogeneracyjne mają na zbyciu energię elektryczną, może być problem z przekazaniem jej do sieci.

Na koniec dodajmy pompy ciepła, używające prądu z sieci do pompowania do budynków ciepła z otoczenia.

Strome zielone linie ilustrują sprawności elektryczną i cieplną dla pomp ciepła o współczynniku wydajności 3 i 4 przy założeniu, że dodatkowy prąd do pompy jest produkowany przez standardową elektrownię gazową albo przez bardzo nowoczesną elektrownię gazową i że straty na przesyle prądu z elektrowni do budynku, gdzie zainstalowana jest pompa ciepła, wynoszą 8%.

Sprawność bardzo nowoczesnej elektrowni gazowej wynosi 53% w warunkach optymalnych (zakładam, że Carbon Trust i Nimbus poczynili podobne założenia przy obliczaniu wartości dla systemów kogeneracyjnych użytych na tym wykresie). W przyszłości pompy ciepła będą pewnie jeszcze wydajniejsze niż tu zakładamy. W Japonii, dzięki dobremu prawodawstwu w zakresie efektywności energetycznej, dostępne są powietrzne pompy ciepła o współczynniku wydajności 4,9.

Warto zauważyć, że pompy ciepła to systemy, które mogą mieć „sprawność większą niż 100%”. Dla przykładu, jeżeli pompę ciepła zasila prąd z „najlepszej elektrowni gazowej”, prąd otrzymujemy ze sprawnością 30%, a ciepło ze sprawnością 80%, co daje „sprawność całkowitą” rzędu 110%. Żaden z systemów kogeneracyjnych nie zbliża się do tej sprawności.

Powiedzmy to głośno. Pompy ciepła mają wyższą sprawność niż kotły kondensacyjne, nawet jeżeli są zasilane prądem z elektrowni gazowych. Jeżeli chcemy ogrzać wiele budynków za pomocą gazu, możemy albo zainstalować kotły kondensacyjne o sprawności 90%, albo przesłać ten sam gaz do nowoczesnej elektrowni gazowej, a we wszystkich budynkach zainstalować pompy ciepła zasilane prądem – w tym drugim przypadku sprawność wahałaby się pomiędzy 140 a 185%. Nie trzeba kopać głębokich dziur w ogrodzie i instalować ogrzewania podłogowego, by skorzystać z dobrodziejstw pompy ciepła – najlepsze powietrzne pompy ciepła (w postaci niewielkiego pudełka na zewnątrz budynku, podobnego do klimatyzatora) mogą zasilić grzejniki w gorącą wodę ze współczynnikiem wydajności powyżej 3. Powietrzna pompa ciepła na Fot. 21.11. (str. 158) dostarcza ciepłe powietrze bezpośrednio do pomieszczeń biurowych.

Reasumując, kogeneracja, mimo że brzmi atrakcyjnie, nie jest chyba najlepszym sposobem ogrzewania budynków i produkowania prądu z gazu – przy założeniu, że w budynkach da się zainstalować powietrzne i gruntowe pompy ciepła. Należy podkreślić jeszcze kilka zalet pomp ciepła – można je instalować w każdym budynku z dostępem do elektryczności, można je podłączyć do każdego źródła prądu, będą więc pracować, nawet gdy skończy się gaz lub kiedy cena gazu wystrzeli pod niebiosa. Pompy ciepła są rozwiązaniem elastycznym – można je włączać i wyłączać zgodnie z zapotrzebowaniem użytkowników budynku.

Chcę podkreślić, że to moje porównanie na niekorzyść kogeneracji nie oznacza, że wytwarzanie ciepła i prądu w skojarzeniu jest zawsze złe. Tutaj porównuję jednak sposoby ogrzania zwykłych budynków, do czego wystarczy ciepło niskotemperaturowe. Kogeneracja może również dostarczyć ciepło wysokotemperaturowe na potrzeby przemysłu (np. o temperaturze 200 °C). W zastosowaniach przemysłowych pompy ciepła raczej się nie sprawdzą, bo mają niższy współczynnik wydajności.