Dizalice topline velikih instaliranih snaga
Danas se smatra da je u energetski razvijenim sustavima moguće integrirati do 20% elektriÄne energije iz vjetroelektrana bez većih zahvata na distribucijskom i transmisijskom sustavu. Nakon 20% elektriÄne energije iz vjetroelektrana, pojavljuje se problem stabilnosti mreže uslijed nestalnosti proizvodnje vjetroelektrana. Jedno od rješenja kako doseći udio od 40% vjetroenergije je integracija elektriÄnog i toplinskog sektora putem dizalica topline velikih instaliranih snaga.
Dizalica topline (eng. Heat pump) je tehnologija koja koristi elektriÄnu energiju kako bi proizvela toplinsku energiju. Iako naoko može izgledati da takva vrsta energetske pretvorbe nije logiÄna, pošto je elektriÄna energija najkvalitetniji oblik energije te skup za proizvesti, dizalice topline ovu vrstu pretvorbe Äine na iznimno uÄinkovit naÄin te takoÄ‘er mogu služiti integraciji elektriÄnog i toplinskog sektora. Ukoliko se za proizvodnju elektriÄne energije, koja će dizalicama topline služiti za proizvodnju toplinske energije, koriste obnovljivi izvori energije, ovakva vrsta tehnologije je potpuno opravdana u upotrebi te Äak služi stabilizaciji sustava uslijed nestalne proizvodnje energije iz izvora poput sunca i vjetra.
Koliko su dizalice topline zapravo energetski uÄinkovite? Dizalice topline su specifiÄne u iskazivanju efikasnosti pošto se ne navodi klasiÄna energetska uÄinkovitost kao omjer dobivenog rada i uložene energije, već se za to koriste faktori grijanja i hlaÄ‘enja (eng. Coefficient of Performance (COP)) koji su definirani kao omjeri predane topline (odnosno preuzete topline u sluÄaju hlaÄ‘enja) te uloženog rada, što je u sluÄaju dizalica topline utrošena elektriÄna energija. Kao što se može vidjeti u iznesenim definicijama, u klasiÄnoj definiciji energetske efikasnosti rad se nalazi u brojniku, dok se u sluÄaju dizalica topline on nalazi u nazivniku. Ove definicije treba imati na umu kako se kasnije ne bi dogodila mogućnost pogreške spominjanjem da dizalice topline imaju efikasnost veću od 1 (što bi znaÄilo veću efikasnost od 100%).
U najÄešÄ‡im dizalicama topline u Hrvatskoj, tzv. klima ureÄ‘ajima ili split sustavima (što je zapravo dizalica topline zrak-zrak u struÄnoj terminologiji) faktor hlaÄ‘enja iznosi oko 3 za umjerene temperaturne razlike okoliša i sobe koju hladimo, dok faktor grijanja uobiÄajeno iznosi oko 4. To znaÄi da u sluÄaju grijanja, za 1 kWh utrošene elektriÄne energije dobijemo ekvivalent od 4 kWh toplinske energije. Iz ovog primjera vidimo da su dizalice topline energetski iznimno uÄinkovite, za razliku od elektrootpornog grijanja (elektriÄne grijalice) koji za 1 kWh utrošene elektrine energije proizvede otprilike isto 1 kWh toplinske energije.
Bitno je znati kada su faktori hlaÄ‘enja viši, a kada niži. Navedeni faktori osim tehnoloških karakteristika samih ureÄ‘aja te korištenog medija za hlaÄ‘enje, ovise iskljuÄivo o temperaturnoj razlici prostorije koju želimo grijati te temperature toplinskog izvora, što je u sluÄaju klsiÄnih split sustava okolišni zrak. Što je navedena temperaturna razlika manja, to je dizalica topline energetski uÄinkovitija. Ovdje se može zakljuÄiti zašto klasiÄni split-sustavi ne rade efikasno pri ekstremnim okolišnim temperaturama (jako visokim dok hladimo prostoriju te jako niskim dok grijemo prostoriju). Navedeni ekstremi imaju kao posljedicu veliku temperaturnu razliku izmeÄ‘u toplinskog izvora (okolišni zrak u sluÄaju grijanja) te toplinskog ponora (prostorija koju grijemo) te time smanjuju faktor grijanja, odnosno hlaÄ‘enja.
Dizalice topline velikih instaliranih snaga pokušavaju dobiti daleko više iznose faktora grijanja koristeći toplinske izvore viših temperatura poput tla na velikim dubinama, mora, jezera ili otpadnu toplinu dimnih plinova koja bi inaÄe nepovratno bila izgubljena u atmosferi ispuštanjem kroz dimanjak nekog postrojenja ili elektrane. Svi ovi navedeni izvori imaju za obilježje da su im teperature priliÄno konstantne tijekom cijele godine te nikad ne padaju ispod nula celzijevih stupnjeva. Ovdje opet moramo imati na umu da Äim je viša temperatura izvora, veća će biti i efikasnost dizalice topline. U dizalicama topline velikih instaliranih snaga prosjeÄni faktor grijanja može doseći i 9 što znaÄi da je za 1 kWh utrošene elektriÄne energije moguće dobiti Äak 9 kWh toplinske energije. Teoretska razmatanja jednadžbe faktora grijanja, uz korištenje jezera kao toplinskog izvora te temperature grijane prostorije od 25 oC dopuštaju iznos faktora grijanja od Äak 15 što je zaista impresivan broj te pokazuje da još postoji prostor za daljnji razvoj tehnologije dizalice topline.
Naravno, uvijek postoji i pitanje ekonomskih troškova korištenja odreÄ‘ene tehnologije. Dizalice topline su iznimno kapitalno intenzivne tehnologije koje iziskuju velika financijska sredstva prilikom investicije te zatim imaju male pogonske troškove, poput troškova održavanja te troškova pogonske energije. ProsjeÄna investicija u dizalice topline velikih instaliranih snaga iznosi 840.000 € po MW toplinske instalirane snage, dok recimo manje uÄinkoviti elektriÄni kotao ima investicijsku cijenu od samo 90.000 € po MW instalirane snage. Ovdje leži i razlog još uvijek nedovoljne penetracije dizalica topline velikih instaliranih snaga u energetski sektor diljem Europe i svijeta.
U sljedećim nastavcima raspravit ćemo detaljnije o konceptima upotrebe dizalica topline velikih instaliranih snaga u energetskom sektoru, integriranje sa već postojećim kogeneracijskim postrojenjima te primjere u kojima navedena tehnologija pojeftinjuje ukupne troškove energetskog sustava. TakoÄ‘er, usporedit ćemo elektriÄne kotlove te dizalice topline u ekonomskom pogledu kako bismo vidjeli u kojim uvjetima je odreÄ‘ena tehnologija jeftinija.