Spis treści

1. 1. Rola pomp ciepła w transformacji energetycznej przedsiębiorstw
   2. Jak działają przemysłowe pompy ciepła?
   3. Sprężarkowe pompy ciepła
   4. Absorpcyjne pompy ciepła
   5. Korzyści ekonomiczne z implementacji pomp ciepła
   6. Jakie wyzwania napotykają firmy przy wdrażaniu systemów pomp ciepła?
   7. Integracja pomp ciepła z istniejącą infrastrukturą energetyczną
   8. Pompy ciepła a redukcja śladu węglowego przedsiębiorstwa
   9. Studia przypadków – sukces pomp ciepła w polskim przemyśle
   10. Przyszłość technologii pomp ciepła w strategiach dekarbonizacji

W obliczu rosnących wymagań dotyczących ograniczenia emisji gazów cieplarnianych oraz dążenia do neutralności klimatycznej, przedsiębiorstwa przemysłowe poszukują efektywnych rozwiązań technologicznych wspierających proces dekarbonizacji. Przemysłowe pompy ciepła stanowią jedno z kluczowych narzędzi umożliwiających firmom produkcyjnym znaczącą redukcję śladu węglowego przy jednoczesnym zachowaniu efektywności operacyjnej. Technologia ta, pozwalająca na odzysk i wykorzystanie ciepła odpadowego, doskonale wpisuje się w strategie transformacji energetycznej, oferując zarówno korzyści środowiskowe, jak i ekonomiczne. W niniejszym artykule przeanalizujemy rolę pomp ciepła w procesie dekarbonizacji przedsiębiorstw, ich zasady działania, korzyści ekonomiczne oraz wyzwania związane z ich wdrażaniem.

Rola pomp ciepła w transformacji energetycznej przedsiębiorstw 

Transformacja energetyczna sektora przemysłowego stanowi jedno z największych wyzwań na drodze do realizacji celów klimatycznych Unii Europejskiej. Pompy ciepła w przemyśle odgrywają fundamentalną rolę w tym procesie, umożliwiając przedsiębiorstwom odejście od tradycyjnych, wysokoemisyjnych źródeł energii na rzecz rozwiązań niskoemisyjnych.

Technologia ta pozwala na efektywne wykorzystanie np. ciepła odpadowego generowanego w procesach produkcyjnych, które w tradycyjnych układach jest najczęściej bezpowrotnie tracone. Dzięki zdolności do zwiększenia wartości temperatury ciepła odpadowego do poziomu wymaganego w procesie, pompy ciepła umożliwiają jego ponowne wykorzystanie w procesach technologicznych lub do ogrzewania pomieszczeń.

W kompleksowych programach transformacji energetycznej przedsiębiorstw, przemysłowe pompy ciepła stanowią element łączący efektywność energetyczną z redukcją emisji CO2. Ich implementacja pozwala na:

• Zmniejszenie zużycia paliw kopalnych
• Optymalizację wykorzystania energii w zakładzie
• Redukcję emisji bezpośrednich/lub pośrednich (zakres 1 i 2)
• Przy odpowiednim zasileniu pompy, zwiększenie udziału energii odnawialnej w bilansie energetycznym

Jak działają przemysłowe pompy ciepła? 

Przemysłowe pompy ciepła działają na podstawie odwróconego cyklu termodynamicznego, umożliwiającego transport ciepła z obszaru o niższej temperaturze do obszaru o temperaturze wyższej. W kontekście przemysłowym wyróżniamy dwa główne typy pomp ciepła: sprężarkowe i absorpcyjne.

Sprężarkowe pompy ciepła

Systemy kompresorowe wykorzystują sprężarkę do podniesienia ciśnienia, a tym samym temperatury czynnika roboczego (chłodniczego). Proces obejmuje cztery główne etapy: sprężanie, skraplanie, rozprężanie i odparowanie. Energia elektryczna zasilająca sprężarkę umożliwia przeniesienie ciepła z dolnego źródła (np. ciepło odpadowe z procesów produkcyjnych) do górnego źródła (np. system grzewczy zakładu).

Absorpcyjne pompy ciepła

W systemach absorpcyjnych, zamiast sprężarki mechanicznej, wykorzystuje się proces absorpcji i desorpcji par czynnika roboczego w roztworze absorbentu. Zaletą tych systemów jest możliwość wykorzystania ciepła odpadowego o wyższej temperaturze (np. z procesów spalania) jako źródła energii napędowej, co czyni je szczególnie atrakcyjnymi w zakładach posiadających dostęp do takiego ciepła.

Główne źródła energii dla przemysłowych pomp ciepła obejmują: 

• Ciepło odpadowe z procesów produkcyjnych
• Wody technologiczne i ścieki przemysłowe
• Powietrze odlotowe z systemów wentylacyjnych
• Energia geotermalna
• Energia słoneczna (w układach hybrydowych)

Korzyści ekonomiczne z implementacji pomp ciepła 

Implementacja przemysłowych pomp ciepła, choć wiąże się z początkowymi nakładami inwestycyjnymi, przynosi wymierne korzyści ekonomiczne, które w dłuższej perspektywie czasu przekładają się na znaczące oszczędności operacyjne.

 Tabela 1. Korzyści z implementacji pomp ciepła. Źródło: Raport Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, „Efektywność ekonomiczna technologii niskoemisyjnych w przemyśle”, 2022.

Warto podkreślić, że okres zwrotu inwestycji w pompy ciepła dla firm zależy od wielu czynników, w tym wielkości instalacji, dostępności ciepła odpadowego, cen energii oraz możliwości pozyskania dofinansowania. W korzystnych warunkach, szczególnie przy dużym potencjale odzysku ciepła odpadowego, ROI może wynosić nawet 3-5 lat, według danych z raportu Polskiego Stowarzyszenia Pomp Ciepła „Analiza opłacalności inwestycji w pompy ciepła w sektorze przemysłowym” (2023).

Jakie wyzwania napotykają firmy przy wdrażaniu systemów pomp ciepła? 

Mimo licznych korzyści, implementacja pomp ciepła w środowisku przemysłowym wiąże się z szeregiem wyzwań, które przedsiębiorstwa muszą przezwyciężyć na drodze do efektywnej dekarbonizacji.

Do głównych barier należą: 

• Wyzwania techniczne, takie jak dopasowanie parametrów pracy pompy ciepła do specyficznych wymagań procesów produkcyjnych, zmienność dostępności ciepła odpadowego oraz konieczność integracji z istniejącymi systemami
• Bariery finansowe, w tym wysokie koszty początkowe, ograniczony dostęp do kapitału oraz niepewność co do przyszłych cen energii wpływających na opłacalność inwestycji
• Ograniczenia organizacyjne, obejmujące brak odpowiednich kompetencji technicznych wewnątrz organizacji, obawy przed zakłóceniem ciągłości produkcji podczas wdrażania oraz wyzwania związane z zarządzaniem złożonym projektem transformacji energetycznej

Przezwyciężenie tych wyzwań wymaga kompleksowego podejścia, łączącego analizę techniczną, planowanie finansowe oraz rozwój kompetencji. Kluczowe znaczenie ma przeprowadzenie szczegółowego audytu energetycznego, identyfikacja optymalnych punktów integracji oraz opracowanie wieloetapowej strategii wdrożenia.

Integracja pomp ciepła z istniejącą infrastrukturą energetyczną 

Skuteczna integracja systemów grzewczych dla przemysłu opartych na pompach ciepła z istniejącą infrastrukturą energetyczną zakładu stanowi warunek konieczny dla maksymalizacji korzyści wynikających z ich implementacji.

Optymalne rozwiązania integracyjne obejmują: 

• Kaskadowe systemy pomp ciepła pozwalające na stopniowe podnoszenie temperatury
• Hybrydowe układy łączące pompy ciepła z istniejącymi źródłami ciepła, zapewniające elastyczność operacyjną
• Integrację z magazynami energii termicznej, umożliwiającą zarządzanie zmiennością podaży i popytu na energię
• Współpracę z systemami odzysku ciepła z innych procesów

Szczególnie obiecujące są rozwiązania łączące pompy ciepła z innymi technologiami OZE, takimi jak fotowoltaika czy biogaz. Pozwala to na stworzenie kompleksowego, niskoemisyjnego systemu energetycznego dla zakładu przemysłowego.

Pompy ciepła a redukcja śladu węglowego przedsiębiorstwa 

Implementacja przemysłowych pomp ciepła przekłada się bezpośrednio na obniżenie śladu węglowego przedsiębiorstwa. Efekt redukcyjny zależy od stanu wejściowego w danym przedsiębiorstwie i występuje na dwóch poziomach emisji:

• Zakres 1 (emisje bezpośrednie) – jeśli zakład zużywa paliwa kopalne do celów grzewczych i technologicznych

• Zakres 2 (emisje pośrednie związane z zakupem energii) – jeśli zakład kupuje ciepło/parę, potencjał redukcji emisji CO2 zależy od kilku czynników, w tym od rodzaju zastępowanego źródła energii, współczynnika wydajności pompy ciepła (COP) oraz miksu energetycznego zasilającego pompę ciepła. W przypadku zastąpienia systemów opartych na węglu lub gazie, pompy ciepła a redukcja emisji CO2 może sięgać nawet 60-80% w porównaniu do stanu wyjściowego, jak wynika z badania Politechniki Warszawskiej „Potencjał redukcji emisji CO2 w polskim przemyśle poprzez implementację pomp ciepła” (2022).

Wdrożenie pomp ciepła w ramach kompleksowej strategii dekarbonizacji wspiera również raportowanie ESG, stanowiąc konkretne działanie w obszarze ograniczania wpływu klimatycznego firmy.

Studia przypadków – sukces pomp ciepła w polskim przemyśle 

Polski sektor przemysłowy może pochwalić się rosnącą liczbą udanych wdrożeń rozwiązań grzewczych dla zakładów produkcyjnych opartych na pompach ciepła. Przykłady te obejmują różnorodne gałęzie przemysłu, od przetwórstwa spożywczego po przemysł chemiczny i metalowy.

Typowy projekt wdrożeniowy obejmuje następujące etapy: 

• Audyt energetyczny i identyfikacja źródeł ciepła odpadowego
• Modelowanie rozwiązania i analiza opłacalności
• Projekt techniczny i dobór komponentów
• Instalacja i integracja z istniejącymi systemami
• Optymalizacja parametrów pracy i monitorowanie efektów

Kluczowe czynniki sukcesu to kompleksowa analiza przed wdrożeniem, odpowiedni dobór technologii oraz systemowe podejście do integracji pompy ciepła z całym układem energetycznym zakładu.

Przyszłość technologii pomp ciepła w strategiach dekarbonizacji 

Przyszłość przemysłowych pomp ciepła w kontekście dekarbonizacji przemysłu rysuje się bardzo obiecująco. Rozwój technologii zmierza w kierunku:

• Systemów wysokotemperaturowych, umożliwiających szersze zastosowanie w procesach przemysłowych wymagających wyższych temperatur
• Zwiększenia efektywności poprzez udoskonalenie czynników chłodniczych i komponentów
• Inteligentnych systemów zarządzania, optymalizujących pracę pomp ciepła w oparciu o zmienne warunki produkcji
• Hybrydowych rozwiązań integrujących pompy ciepła z innymi technologiami OZE i magazynami energii

Zmiany regulacyjne, w tym rosnące ceny uprawnień do emisji CO2, coraz bardziej restrykcyjne normy emisyjne oraz dostępność funduszy na technologie niskoemisyjne dla firm, dodatkowo wzmacniają pozycję pomp ciepła jako kluczowego elementu w strategiach dekarbonizacji przedsiębiorstw.

W perspektywie osiągnięcia celów neutralności klimatycznej przez Polskę i UE, przemysłowe pompy ciepła będą odgrywać coraz ważniejszą rolę, stając się standardowym elementem infrastruktury energetycznej zakładów produkcyjnych przyszłości.