Tepelná čerpadla představují účinný způsob, jak při vytápění budov a ohřevu užitkové vody nahradit fosilní paliva. Funguje to však pouze v případě, že je k dispozici připojení k elektrické síti – odlehlé budovy nebo regiony s nestabilním zásobováním elektřinou tak mají smůlu.
To by se však v budoucnu mohlo změnit: Vědci z čínské Dongguan University of Technology a Sun Yat-sen University simulovali topný systém, který by mohl být poháněn výhradně vodíkem. Koncept se skládá ze tří hlavních komponent, které jsou již jednotlivě na trhu dostupné: palivového článku, tepelného čerpadla na CO₂ a akumulátoru tepla fungujícího na principu fázové změny materiálu (PCM).
Tepelné čerpadlo s palivovým článkem využívá elektřinu z vodíku
Princip je vlastně docela jednoduchý: Palivový článek typu PEM přeměňuje vodík na elektřinu. Ta pohání kompresor tepelného čerpadla, které jako chladivo využívá CO₂. Tepelné čerpadlo ohřívá vodu cirkulující v akumulační nádrži. V této nádrži jsou umístěny trubky naplněné hexadekanem, což je materiál s fázovým přechodem, který se při teplotě 18 stupňů Celsia roztaví a přitom absorbuje teplo. Absorbované a akumulované teplo je pak k dispozici pro ohřev vody.
CO₂ je považován za udržitelnější ve srovnání s běžnými syntetickými chladivy, protože nepoškozuje ozonovou vrstvu a má poměrně nízký potenciál globálního oteplování (hodnota GWP – Global Warming Potential – je rovna 1). Pro srovnání: Starší syntetická chladiva, jako je R410A, mají hodnotu GWP přesahující 2 000. Tepelná čerpadla na CO₂ navíc dokážou dosáhnout vyšších teplot vody než mnoho konvenčních systémů.
Mohlo by vás zajímat
Máte fotovoltaiku i tepelné čerpadlo? Tato čísla ukazují, jak vypadá realita moderní domácnosti
Novinky
Simulovaný systém funguje – ale není na dlouhé sprchování
Velká nevýhoda: Systém zatím nebyl postaven – jedná se o počítačovou simulaci, která měla prověřit proveditelnost tohoto konceptu. V tomto rámci vědci zkoumali, jak tři teplotní body ovlivňují výkon systému: teplota okolí kolem palivového článku, vstupní teplota na anodové straně, kde se přivádí vodík, a teplota na katodové straně, kde je kyslík. Přitom zdaleka největší vliv na výkon systému měla právě teplota na katodové straně.
Při zvýšení teploty katody ze 2 na 34 stupňů Celsia vzrostl tzv. faktor „hydrogen-to-heat“, tedy množství využitelného tepla na kilogram vodíku, o 29 procent. Zároveň však klesl topný faktor COP, tedy poměr vyrobeného tepla a spotřebované elektrické energie, o téměř 20 procent. Důvodem je to, že při vyšší teplotě katody se výtěžnost palivového článku výrazně zlepšuje, ale zároveň ještě výrazněji stoupá spotřeba elektřiny kompresoru, protože musí pracovat s vyšším výkonem.
Při modelované spotřebě teplé vody 75 litrů denně a nárůstu teploty o 40 stupňů Celsia byl simulovaný zásobník dostatečný. To by znamenalo, že ti, kdo se dlouho sprchují, by se možná museli omezit.
Zdroj: Midjourney (vygenerováno pomocí AI)
Celý systém dosahuje špičkové hodnoty COP přes 4
Podle výzkumníků se jedná o první systematickou analýzu této systémové kombinace. Jmenované tři klíčové součásti jsou na trhu již zavedené, dosud však neexistují žádné společné produkty, které by jednotlivé komponenty propojovaly. Simulace navíc využívá několik zjednodušení a předpokládá například, že akumulační nádrž s PCM (materiálem s fázovou změnou) je zcela tepelně izolovaná. Zohledněny nejsou ani tlakové ztráty v tepelném čerpadle. Lze tedy předpokládat, že již tak relativně nízký systémový COP v rozmezí 2,6 až 3,2 (vzduch jako zdroj tepla) bude ve skutečnosti ještě o něco nižší. Naopak při použití vody jako zdroje tepla se simulovaný COP pro celý systém pohybuje v lepších hodnotách kolem 3,3 až 4,2.
Popisovaný systém by se hodil především pro místa bez připojení k elektrické síti – například horské chaty nebo jiné odlehlé budovy. To, zda by bylo možné systém skutečně provozovat ekonomicky, závisí rozhodujícím způsobem na vývoji cen vodíku, jeho dostupnosti a konkrétní situaci v zásobování. Autoři připouštějí, že všude tam, kde je k dispozici připojení k elektrické síti, by měla být levnější volbou tepelná čerpadla napájená ze sítě.
Zdroj: PV Magazine, Results in Engineering
