Přinesou Číňané po elektromobilitě revoluci i ve vytápění? Mají silně našlápnuto, představili neobvyklý koncept tepelného čerpadla

Vědci přišli s řešením, které využívá vodík

Tepelná čerpadla si postupně nacházejí cestu do stále většího počtu domácností. Jejich hlavní výhodou je schopnost získávat tepelnou energii z okolního prostředí a s relativně malým množstvím elektřiny ji využívat k vytápění nebo ohřevu vody. Jenže co když elektrická přípojka není k dispozici?

S podobným problémem se můžeme setkat například u odlehlých horských chat, rekreačních objektů nebo budov v oblastech s nespolehlivým zásobováním elektřinou.

Právě pro takové situace by se v budoucnu mohlo hodit řešení, na kterém pracují výzkumníci z čínských univerzit Dongguan University of Technology a Sun Yat-sen University. Vědci nyní představili koncept, který by tuto závislost mohl odstranit. Jejich systém využívá vodík, palivový článek a speciální zásobník tepla. Výsledky počítačové simulace vypadají slibně, praktické nasazení je prozatím nereálné.

Jak může tepelné čerpadlo fungovat na vodík?

Výzkumníci přišli s řešením, které využívá kombinaci tří technologií. Základem je vodíkový palivový článek, který vyrábí elektřinu chemickou reakcí vodíku s kyslíkem. Vyrobená elektřina následně pohání kompresor tepelného čerpadla. To využívá jako chladivo oxid uhličitý, tedy CO₂. Třetí součástí je speciální zásobník tepla, který umožňuje část získané energie uchovávat pro pozdější využití.

Samotný princip tedy není založený na tom, že by tepelné čerpadlo přímo spalovalo vodík. Vodík slouží k výrobě elektřiny a ta následně pohání běžný princip tepelného čerpadla. Díky tomu by zařízení mohlo pracovat i v místech, kde není dostupná elektrická síť.

Proč vědci zvolili právě oxid uhličitý?

Zajímavostí celého konceptu je také použité chladivo. Místo některých běžných syntetických chladiv výzkumníci navrhli využití oxidu uhličitého, který se v této oblasti označuje jako R744. CO₂ má velmi nízký potenciál globálního oteplování, známý pod zkratkou GWP. Jeho hodnota je 1 (u staršího chladiva R410A přesahuje hodnotu 2 000). To znamená, že případný únik stejného množství chladiva CO₂ má z hlediska přímého oteplovacího účinku výrazně menší dopad než únik R410A.

Další výhodou je schopnost tepelných čerpadel s CO₂ ohřívat vodu na vysokou teplotu. Samozřejmě to neznamená, že celý systém je automaticky ekologický. Jeho skutečný dopad na životní prostředí závisí především na tom, jakým způsobem se získá vodík a jak se bude dopravovat.

Speciální zásobník dokáže uchovávat teplo

Třetím důležitým prvkem je tepelný zásobník, využívající materiál s takzvanou fázovou změnou (označuje se zkratkou PCM). Vědci pro tento účel zvolili hexadekan, organickou látku, která při teplotě přibližně 18 °C přechází z pevného do kapalného skupenství. Právě při této změně dokáže přijmout a uchovat značné množství tepelné energie. Při následném tuhnutí se uložené teplo opět uvolňuje.

V navrženém systému je hexadekan umístěný v trubicích uvnitř zásobníku, kterým proudí voda ohřívaná tepelným čerpadlem. Takové řešení může pomoci vyrovnávat rozdíly mezi okamžitou výrobou tepla a jeho spotřebou. Je ovšem důležité rozlišovat mezi teplotou, při které materiál mění skupenství, a výslednou teplotou teplé užitkové vody. Hexadekan se zde používá jako akumulační médium, nikoliv jako samotné chladivo tepelného čerpadla.

Simulace ukázala zajímavé výsledky

Reálný prototyp zařízení vědci prozatím nesestrojili. Funkci ověřovali pouze prostřednictvím počítačové simulace. Zkoumali především to, jak se na účinnosti projeví různé teplotní podmínky palivového článku. Sledovali například teplotu okolního prostředí, teplotu přiváděného vodíku na anodové straně a teplotu na katodové straně, kam se přivádí kyslík. Právě teplota katody se ukázala jako jeden z nejdůležitějších faktorů.

Při jejím zvýšení ze 2 na 34 °C vzrostlo množství využitelného tepla získaného z určitého množství vodíku o 29,4 %. Současně se ale téměř o pětinu snížil topný faktor COP. Jinými slovy: Za sledovaných podmínek se podařilo zvýšit celkové množství získaného tepla vzhledem ke spotřebě vodíku, ale zhoršil se poměr mezi tepelným výkonem a elektřinou potřebnou pro provoz tepelného čerpadla. Tyto, ale i další rozdíly ukazují, že optimalizace celého systému nebude úplně jednoduchá.

Jak účinné by takové tepelné čerpadlo mohlo být?

Výzkumníci při simulaci sledovali také celkovou účinnost navržené sestavy. Pokud by tepelné čerpadlo využívalo jako zdroj tepla okolní vzduch, pohyboval se vypočtený topný faktor COP přibližně mezi 2,6 a 3,2. Při využití vody jako zdroje tepla dosahoval podle simulace hodnot 3,3 až 4,2. Jen pro představu: COP vyjadřuje poměr získaného tepla k množství energie, potřebné pro provoz zařízení.

U běžného elektrického tepelného čerpadla například hodnota COP 4 znamená, že při spotřebě jedné kilowatthodiny elektřiny dodá přibližně čtyři kilowatthodiny tepla. U vodíkového systému je ale potřeba být opatrnější.

Elektřina se totiž nejprve vyrábí v palivovém článku z vodíku. Proto nelze uvedené hodnoty COP jednoduše zaměňovat s účinností přeměny energie obsažené ve vodíku na výsledné teplo. Navíc jde pouze o výsledky simulace, nikoliv o měření skutečného zařízení.

Kolik teplé vody by systém zvládl připravit?

Výzkumníci prověřovali také možnosti zásobníku teplé vody. V jednom z modelovaných scénářů počítali s denní spotřebou 75 litrů vody a zvýšením její teploty o 40 °C. Pro takto nastavený odběr měl navržený zásobník dostatečnou kapacitu.

Pro běžnou domácnost by však 75 litrů teplé vody denně nemuselo stačit. Záleželo by na počtu obyvatel, jejich návycích a dalších okolnostech. V současné podobě proto koncept působí spíše jako možné řešení pro menší objekty s omezenou spotřebou teplé vody než jako okamžitá náhrada běžného vytápění rodinného domu.

Největší překážkou může být cena vodíku

Přestože výsledky simulace vypadají zajímavě, k praktickému využití má zkoumaná technologie zatím daleko. Výzkumníci upozorňují, že jejich model pracuje s určitými zkratkami. Například předpokládá dokonale tepelně izolovaný zásobník a nezohledňuje některé tlakové ztráty v tepelném čerpadle. Ve skutečném provozu proto mohou být dosažené parametry horší.

Další zásadní otázkou je ekonomika celého dodavatelského řetězce. Vodík je potřeba vyrobit, dopravit na místo a bezpečně skladovat. To všechno znamená další náklady a technické požadavky. Pokud máme k dispozici běžnou elektrickou přípojku, bude proto podle autorů výzkumu klasické elektrické tepelné čerpadlo pravděpodobně ekonomicky výhodnější.

Největší smysl by vodíkový systém mohl dávat v odlehlých objektech, kde elektrická síť není dostupná nebo je její provoz nespolehlivý.

Zatím jde o výzkum, nikoliv hotový výrobek

Celý koncept je zajímavý především tím, že kombinuje technologie, které už existují a používají se i v praxi. Vodíkové palivové články, tepelná čerpadla s CO₂ i zásobníky s materiály měnícími skupenství nejsou žádnou novinkou. Výzkumníci se ale pokusili ukázat, jak by mohly fungovat společně v jednom zařízení, nezávislém na elektrické síti. Zda podobné řešení někdy objeví také v komerční nabídce, zatím není jasné.

Pokud by se ale podařilo vyřešit technické otázky a zajistit dostupnost vodíku, mohlo by jít o zajímavou alternativu pro místa, kde dnes běžná tepelná čerpadla narážejí na absenci elektrické sítě. Pro naše domácnosti připojené k elektřině však zatím nic nenasvědčuje tomu, že by měl vodík v dohledné době nahradit klasická tepelná čerpadla.

Zdroj: PV-Magazine, Results In Engineering