Pompy ciepła i ponad 1000°C – science fiction czy przemysłowa rewolucja?

• Temperatury rzędu 1300°C i więcej. Badacze analizują koncepcje systemów zdolnych pracować nawet przy 1600 K, co mogłoby zastąpić spalanie paliw w części procesów przemysłowych. To potencjalny krok w stronę elektryfikacji wysokotemperaturowego ciepła.
• Nowe typy bez klasycznej sprężarki. Rozwijane są m.in. technologie elektrokaloryczne, magnetokaloryczne czy mechanokaloryczne, które wykorzystują właściwości materiałów stałych zamiast czynnika chłodniczego. To wciąż etap laboratoryjny (TRL 2–4).
• Bliżej rynku są systemy gazowe. Pompy Stirlinga czy odwrócone układy Braytona osiągają wyższy poziom gotowości (ok. TRL 6) i mogą być pierwszym krokiem do zastosowań przemysłowych. Komercjalizacja na większą skalę to jednak perspektywa raczej lat 30. lub 40. XXI wieku.

Pompy ciepła przyszłości? Naukowcy celują w temperatury, o których dziś nawet nie myślimy

Międzynarodowy zespół badaczy, kierowany przez Uniwersytet w Lublanie, przyjrzał się nowym typom pomp ciepła, które w teorii mogłyby pracować przy temperaturach sięgających nawet 1600 K, czyli ponad 1300°C. To poziom, który dziś jest domeną przemysłu ciężkiego, hutnictwa czy procesów chemicznych – a nie klasycznych instalacji grzewczych.

Warto jednak od razu zaznaczyć: mówimy o technologiach dopiero rozwijanych, w dużej mierze eksperymentalnych. To raczej mapa drogowa przyszłości niż rozwiązanie, które zobaczymy w ofertach producentów w najbliższych latach.

Dlaczego wysokotemperaturowe pompy ciepła są tak interesujące?

W klasycznych zastosowaniach pompy ciepła świetnie sprawdzają się do temperatur rzędu kilkudziesięciu stopni. Problem pojawia się wtedy, gdy potrzebujemy ciepła przemysłowego – powyżej kilkuset stopni. Dziś w takich przypadkach stosuje się najczęściej spalanie paliw lub ogrzewanie elektryczne, które ma współczynnik efektywności COP równy 1. Nowe koncepcje mogą potencjalnie osiągać COP powyżej 1 nawet w ekstremalnych temperaturach, co oznacza większą energooszczędność. To właśnie dlatego naukowcy widzą w nich szansę na dekarbonizację przemysłu.

• Zobacz również: Okienna pompa ciepła – co to jest i jak to działa? Kilka słów o technologii

Pompy ciepła bez czynnika chłodniczego?

Najciekawsze w tym przeglądzie jest to, że część nowych technologii w ogóle nie przypomina klasycznych pomp ciepła ze sprężarką i czynnikiem chłodniczym. Badacze analizują m.in. pompy półprzewodnikowe i kaloryczne, które wykorzystują efekty termiczne w materiałach stałych. W zależności od zastosowanego pola zewnętrznego wyróżnia się:

• elektrokaloryczne (pole elektryczne)
• magnetokaloryczne (pole magnetyczne)
• mechanokaloryczne (naprężenia mechaniczne)

Takie systemy mogą działać bez ruchomych części, eliminując ryzyko wycieków czynnika chłodniczego i potencjalnie zwiększając trwałość urządzeń. To zupełnie inna filozofia niż obecne sprężarkowe pompy ciepła.

Gaz zamiast cieczy – pompy ciepła z obiegiem gazowym

Druga grupa technologii to systemy wykorzystujące gaz jako czynnik roboczy. Wśród nich znalazły się m.in.:

• pompy termoakustyczne, wykorzystujące fale dźwiękowe do sprężania i rozprężania gazu
• pompy Stirlinga, znane z cykli tłokowych
• odwrócone pompy Braytona, przypominające układy turbinowe

Te rozwiązania są bliższe przemysłowi i – co ciekawe – mają wyższy poziom gotowości technologicznej.

Jak daleko jesteśmy od rynku?

Naukowcy ocenili dojrzałość technologii w skali TRL (od 1 do 9). Większość koncepcji półprzewodnikowych znajduje się dopiero na poziomie TRL 2–4, czyli w fazie laboratoryjnej i prototypowej. Najbardziej zaawansowane są systemy Stirlinga i Braytona, które osiągają TRL 6, czyli demonstrację w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. To wciąż daleko od masowej komercjalizacji.

Plan rozwoju do 2040 roku

Badacze nie ukrywają, że mówimy o perspektywie kilkunastu lat. Ich mapa drogowa zakłada, że do 2040 roku możliwe będzie znaczące zwiększenie mocy, gęstości energetycznej i sprawności tych systemów. W praktyce oznaczałoby to, że pompy ciepła mogłyby wejść do zastosowań, które dziś są całkowicie poza ich zasięgiem – od przemysłowych procesów cieplnych po wysokotemperaturowe źródła energii w systemach OZE.

Ciekawostka, ale ważna

Choć te technologie nie trafią do domów w najbliższej dekadzie, warto o nich mówić już dziś. Transformacja energetyczna to nie tylko wymiana kotła na pompę ciepła, ale również poszukiwanie sposobów na elektryfikację przemysłu, który odpowiada za ogromną część globalnych emisji. Pompy ciepła o temperaturach przekraczających 1000°C brzmią dziś jak science fiction, ale właśnie w taki sposób zaczynają się przełomowe technologie. A jeśli rzeczywiście uda się je rozwinąć, mogą stać się jednym z kluczowych narzędzi czystego ciepła w gospodarce przyszłości.

Źródła: Nature, pv-magazine.