Dwutlenek węgla jako czynnik chłodniczy do pomp ciepła – realna alternatywa dla F-gazów?

• Unijne regulacje F-gazowe wymuszają odchodzenie od syntetycznych czynników chłodniczych o wysokim GWP, kierując rynek w stronę naturalnych rozwiązań takich jak CO₂, amoniak czy propan.
• Pompy ciepła na CO₂ pracujące w cyklu transkrytycznym osiągają wysokie temperatury zasilania (nawet powyżej 90°C) i zachowują sprawność w niskich temperaturach zewnętrznych, co jest istotne dla modernizowanych budynków.
• Zastosowanie R744 w przemyśle, sektorze szklarniowym oraz w układach z kolektorami PVT pokazuje, że naturalne czynniki mogą łączyć redukcję emisji z wysoką efektywnością energetyczną.

Wyzwania transformacji ciepłownictwa i rola naturalnych czynników chłodniczych

Ciepłownictwo, w dobie wyzwań związanych z ograniczaniem emisyjności dwutlenku węgla i substancji szkodliwych do atmosfery, mierzy się z wieloma wyzwaniami. Większość energii w ogrzewnictwie wciąż pochodzi ze spalania węgla, gazu ziemnego, bądź ropy. Choć odchodzimy od pieców węglowych, zastępowanie ich konwencjonalnymi technologiami często natrafia na barierę technologiczną (np. trudność w osiągnięciu bardzo wysokich temperatur w starych instalacjach grzejnikowych bez użycia kotłów gazowych). Większość działających dziś pomp ciepła i klimatyzatorów wykorzystuje gazy fluorowane (np. R410A). Niestety, w przypadku wycieku mają one duży wpływ na globalne ocieplenie – często tysiące razy większy niż CO₂. Restrykcyjne unijne regulacje, np. ustawa F-gazowa, stopniowo zakazuje ich używania, co zmusza rynek do kosztownej i błyskawicznej transformacji w kierunku czynników naturalnych (np. CO₂, propanu, amoniaku). To daje dobre pole do działań w kierunku rozwijania tych technologii. 

Ponadto zdarza się, że tradycyjne pompy ciepła tracą na wydajności w bardzo niskich temperaturach (niskie wartości współczynnika COP), gdzie aby ogrzać dom w czasie silnych mrozów, muszą wspomagać się wbudowanymi grzałkami elektrycznymi. Właściciele starych, słabo ocieplonych budynków z wysokotemperaturowymi instalacjami grzejnikowymi stoją przed widmem ogromnych kosztów termomodernizacji. W tych to przestrzeniach swoje zastosowanie jako czynnik może znaleźć, tak często negatywnie opisywany, dwutlenek węgla.

Dwutlenek węgla – paradoksalne bogactwo dla ciepłownictwa?

W powszechnej świadomości dwutlenek węgla (R744) kojarzony jest głównie z zagrożeniem klimatycznym. Jednak w inżynierii cieplnej ten związek chemiczny przeżywa pewną odnowę, okazując się jednym z najbardziej obiecujących czynników roboczych. Co decyduje o jego wyjątkowości? Przede wszystkim CO₂ jest nietrujący, niepalny i całkowicie niewybuchowy.

Oczywiście, podobnie jak czynniki syntetyczne, CO₂ jest gazem cięższym od powietrza. W przypadku wycieku wypiera tlen z pomieszczenia, co teoretycznie stwarza ryzyko uduszenia. Jednakże margines bezpieczeństwa jest tu znacznie szerszy – maksymalny dopuszczalny poziom koncentracji CO₂ w powietrzu jest o wiele wyższy niż w przypadku konkurencyjnych czynników syntetycznych, co czyni go rozwiązaniem bardziej przyjaznym dla użytkownika.

To, co inżynierowie cenią w CO₂ najbardziej, to jego niezwykłe właściwości fizyczne. Instalacje na ten czynnik pracują pod bardzo wysokim ciśnieniem, co w połączeniu ze specyficzną gęstością gazu sprawia, że do przeniesienia tej samej ilości energii potrzebujemy znacznie mniej czynnika niż w systemach na amoniak czy HFC. To wpływa imponująco na redukcję objętości instalacji, co rekompensuje wyzwania związane z wysokim ciśnieniem i prowadzi do realnego obniżenia kosztów inwestycyjnych dla takich instalacji.

Cykl transkrytyczny i przewagi eksploatacyjne

Kluczem do zrozumienia efektywności pomp ciepła na CO₂ jest tzw. cykl transkrytyczny. Dwutlenek węgla osiąga tam swój punkt krytyczny przy relatywnie niskich parametrach: temperaturze 31°C i ciśnieniu 70 barów. Po przekroczeniu tej granicy CO₂ przestaje być cieczą, ale nie staje się też typowym gazem – wchodzi w stan nadkrytyczny. W tym obszarze nie zachodzi klasyczna zmiana stanu skupienia, dlatego w takich pompach nie znajdziemy tradycyjnego skraplacza.

Dodatkowo, ten czynnik posiada inne mocne właściwości, które świadczą o jego przewadze nad innymi stosowanymi:

• Posiada wysoką odporność na mróz oraz jest wydajny w bardzo chłodnym klimacie (nawet poniżej -10°C)
• Osiąga wysokie wartości sprawności (ma na to wpływ odzysk ciepła)
• Działa na szerokim zakresie temperatur pracy (nawet powyżej 90°C czynnika)

Powrót CO₂ do chłodnictwa – od historii do nowoczesnych systemów

Zastosowanie CO₂ w chłodnictwie to nie nowinka technologiczna, lecz powrót do sprawdzonych korzeni. Już w latach 50. XX wieku dwutlenek węgla był powszechnie stosowany na statkach morskich. Został jednak wyparty przez czynniki syntetyczne, ponieważ przy wyższych temperaturach jego wydajność chłodnicza spadała. Dodatkowym problemem była szczelność – szacunki z 1999 roku wskazywały, że rocznie z instalacji uciekało do atmosfery prawie 5% czynnika.

Z czasem doszło do obejścia tego ograniczenia, tworząc zaawansowane układy pośrednie. W nowoczesnych systemach CO₂ rzadko pracuje sam. Często łączy się go z innymi czynnikami, takimi jak amoniak (R717), dzieląc zadania:

1. CO₂ obsługuje część instalacji o najniższych temperaturach (poniżej -10°C), gdzie jego wysokie ciśnienie jest zaletą.
2. Amoniak przejmuje ciepło w wyższych temperaturach, gdzie jest bezkonkurencyjnie wydajny i ekologiczny (nie wpływa na efekt cieplarniany).

Takie połączenie eliminuje konieczność stosowania glikolu lub solanki jako pośredników. Tradycyjne układy glikolowe wymagają potężnych wymienników ciepła, rur o dużych średnicach i energochłonnych pomp o dużej mocy napędowej. Zastąpienie glikolu dwutlenkiem węgla w takich układach pozwala na zmniejszenie wielkości komponentów i oszczędność energii napędowej, tworząc system wydajny i nowoczesny.

• Zobacz również: Odzysk czynnika chłodniczego w pompach ciepła. Dlaczego to istotne i na co trzeba uważać?

Ekonomia i rozwój technologii CO₂

Kolejno koszty ich utrzymania i konserwacji są porównywalne do tych z instalacjami amoniakalnymi. Zużycie energii jest jednak w nich znacznie niższe niż w instalacjach pracujących w oparciu o czynniki syntetyczne. Ciśnienie osiągające poziom do 100 bar wymaga zastosowania w instalacji specjalnych komponentów. Zamiast typowego skraplacza, istnieje potrzeba zastosowania chłodnicy gazu oraz innych, nowych elementów pozwalających na przemysłowe zastosowanie takich instalacji. Spadki ciśnienia w instalacjach pracujących z CO₂ ze względu na relacje ciśnienia i temperatury są znacznie mniejsze niż spadki ciśnienia dla porównywalnych instalacji amoniakalnych. 

Państwem, które szczególnie inwestuje w tę technologię, jest Japonia. W kraju kwitnącej wiśni na rynku jest już około 6 mln działających małych pomp ciepła na ten czynnik. Na taki wysoki popyt tej technologii miało wpływ to, że Japończycy uruchomili rządowy program wspierania instalacji podnoszących niezależność energetyczną. 

Holandia liderem w zastosowaniu CO₂ w sektorze szklarniowym

Aktualnie holenderski sektor szklarniowy stoi w obliczu znaczących zmian. Rosnące ceny gazu oraz presja na zrównoważony rozwój zmuszają plantatorów do poszukiwania alternatyw dla paliw kopalnych. Jednym z liderów tej transformacji jest firma Nijssen, która z powodzeniem wdraża nowoczesne pompy ciepła, korzystając ze wsparcia holenderskiego programu dotacji SDE++.

Technologia przez nich oferowanych pomp ciepła wykorzystuje dwutlenek węgla (R744) jako naturalny czynnik roboczy, zapewniając stabilny i precyzyjnie kontrolowany klimat przy niższej emisji i kosztach eksploatacji. Systemy te wyróżniają się przemyślaną konstrukcją:

• Budowa typu "plug-and-play" w wysokiej jakości obudowie umożliwia łatwe wpięcie urządzenia w istniejące instalacje grzewcze.
• Solidne i ciche kolektory sprawiają, że system idealnie nadaje się do szklarni, gdzie ciągłość działania jest kluczowa.
• Zaawansowana automatyka optymalizuje wydajność w czasie rzeczywistym, dostosowując moc grzewczą do aktualnych cen energii i zapotrzebowania, co gwarantuje szybki zwrot z inwestycji.

Sama Holandia jest europejskim, a prawdopodobnie i światowym pionierem w wykorzystaniu CO₂ w chłodnictwie i ogrzewnictwie. Szlaki przetarła im firma GTI Koudetechniek, która już w 1998 roku zainicjowała stosowanie tego czynnika. Z dorobkiem ponad 25 instalacji przemysłowych w kraju i za granicą, firma udowodniła, że R744 posiada wymierne korzyści energetyczne. Właściwości termodynamiczne dwutlenku węgla sprawiają, że jest on bezkonkurencyjny w procesach wymagających niskich temperatur, np. w przemyśle mięsnym (tunele zamrażalnicze, zamrażarki płytowe). 

Zastosowanie w połączeniu z kolektorami PVT

Kolejną przestrzenią, gdzie wykorzystuje się taki czynnik roboczy, jest innowacyjne połączenie: działającej w transkrytycznych warunkach pompy ciepła na CO₂ sprzężonej z hybrydowymi kolektorami fotowoltaiczno-termicznymi (PVT). Badania nad taką technologią były przeprowadzone przez chińskich naukowców w regionie Xinjiang. 

Sprawdzają się one bardzo dobrze dla surowego, zimowego klimatu. Dzięki zastosowaniu takich paneli PVT, które jednocześnie produkują prąd do zasilania, np. sprężarki i ciepło, system potrafi pokryć ponad 60% zapotrzebowania sprężarki na energię w słoneczne zimowe dni. Oddawanie ciepła zachodzi tam przy ciśnieniu powyżej punktu krytycznego (w chłodnicy), a pobieranie ciepła poniżej tego punktu. Chłodzenie ogniw PV zwiększa ich sprawność elektryczną, a odebrane ciepło służy jako dolne źródło dla pompy ciepła. Pompa ciepła podnosi temperaturę odebranego ciepła w procesie sprężania CO₂, co w zasadzie wpływa na to, że w dużej mierze napędza się sama. Dodatkowo, CO₂ nawet przy ekstremalnych temperaturach rzędu -30°C taki układ potrafi utrzymać bardzo wysoką sprawność (COP na poziomie około 2.5). Oznacza to, że z 1 jednostki prądu wciąż otrzymujemy blisko 2,5 jednostki ciepła.

Autorzy badań zauważyli, że wydajność obu systemów jest znacząco wyższa w dni słoneczne w porównaniu do dni pochmurnych, co wynika z bezpośredniego zysku ciepła i prądu z promieniowania słonecznego. Znaczące korzyści z połączenia technologii PVT z pompą ciepła CO₂, wskazują na potencjał redukcji emisji i kosztów eksploatacyjnych przy zachowaniu wysokiej sprawności w surowym klimacie działania.

Podsumowanie

Dwutlenek węgla (R744) przeszedł długą drogę – od związku odpowiedzialnego w głównej mierze za zmiany klimatu, do roli kluczowego sojusznika w walce o czyste ciepło. W obliczu zaostrzających się regulacji F-gazowych, wyrasta on na najbezpieczniejszą i najbardziej przyszłościową alternatywę. Jego zdolność do pracy w cyklu transkrytycznym, osiąganie temperatur powyżej 90°C oraz wysoka wydajność w mroźne dni sprawiają, że jest to idealne rozwiązanie zarówno dla modernizowanych budynków mieszkalnych, jak i wymagającego przemysłu czy szklarni. Technologia ta udowadnia, że ekologia może iść w parze z ekonomią, oferując systemy wydajne, kompaktowe i bezpieczne.

Źródła: floraldaily.com, celka.eu
- Wang, R., Feng, X., & Zhu, Y. (2026). Performance analysis and multi-objective optimization of PV/T coupled transcritical CO₂ heat pump under wide temperature range conditions. Energy, 344, 139969.

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Maciej Kulawik