Właśnie w tym miejscu pojawia się nowy, chiński prototyp pompy ciepła, która ma ambicję „podbić” temperaturę z poziomu ciepła odpadowego albo kolektorów słonecznych do wartości użytecznych w przemyśle. Brzmi jak magia? Trochę tak, zwłaszcza gdy w grę wchodzą setki stopni Celsjusza i obietnica dojścia kiedyś do poziomów kojarzonych z hutą, a nie z ogrzewaniem budynku.
Co właściwie pokazano w prototypie?
Zacznijmy od konkretu: w testach laboratoryjnych zademonstrowano układ (termoakustyczna „pompa” w cyklu Stirlinga), który potrafił osiągnąć temperaturę wyjściową ok. 270°C, korzystając z „napędu” cieplnego na poziomie ok. 145°C. To ważne, bo dla wielu technologii przemysłowych pomp ciepła ta okolica (około 200°C) była praktyczną granicą trudną do przeskoczenia.
Najciekawsze jest jednak to, jak to zrobiono. Zamiast klasycznego układu sprężarkowego (z typowym kompresorem), zastosowano termoakustykę: w uproszczeniu „pracę” wykonują odpowiednio sterowane fale akustyczne w obiegu gazu, które pozwalają przenosić energię cieplną wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła. W opisach prototypu przewija się też wolnotłokowa (free-piston) architektura i zabiegi fazowe, które mają rozwiązywać problem wydajności przy wysokich temperaturach.
Do tego dochodzą parametry, które pokazują, że to nie tylko „działa/nie działa”: w jednej z relacji pada informacja o szczytowym współczynniku COP rzędu 1,68 (czyli 1 jednostka energii wejściowej daje 1,68 jednostki energii cieplnej na wyjściu) – oczywiście w określonych warunkach pracy i na poziomie prototypu, nie produktu rynkowego.
Dlaczego przemysł tak bardzo potrzebuje ciepła „z odzysku”?
Ciepło to największe energetyczne tło naszej cywilizacji. Ogrzewanie w budynkach, procesy przemysłowe, para technologiczna, to potrafi zjadać około połowy końcowego zużycia energii. I właśnie dlatego dekarbonizacja ciepła jest dużo trudniejsza i często droższa, niż dorzucenie kolejnej farmy PV do miksu.
W przemyśle dochodzi jeszcze jedna rzecz: temperatury. Sporo procesów mieści się w zakresie ~100–200°C (tu pompy ciepła zaczynają być realną alternatywą), ale są też branże wymagające znacznie wyższych poziomów – nawet powyżej 1000°C. I to jest ta przepaść, w którą wpada wiele planów elektryfikacji: prąd łatwo zamienić na ciepło oporowe, ale trudno zrobić to efektywnie i tanio przy ekstremalnych wymaganiach temperaturowych.
Co gorsza, ogromna część energii w fabrykach zwyczajnie ucieka jako ciepło odpadowe, czasem przez kominy, czasem przez chłodnice, czasem przez procesy, których nikt nie „spina” w jedną, odzyskującą się całość. Szacunki różnią się w zależności od branży i metodologii, ale rząd wielkości bywa brutalny: w wielu sektorach przemysłowych mówimy o dwucyfrowych procentach zużywanej energii traconych w postaci ciepła.
„Słońce na ciepło”, czyli co tu jest naprawdę przełomowe?
Hasło „zamienić światło słoneczne na ciepło” może brzmieć banalnie, w końcu kolektory słoneczne istnieją od lat. Różnica polega na jakości tego ciepła. Kolektor często daje temperatury sensowne dla wody użytkowej czy wspomagania ogrzewania, ale nie dla przemysłowej chemii, metalurgii czy wysokotemperaturowej ceramiki. Pomysł z tą klasą pomp jest więc taki: wziąć ciepło „średnie” (ze słońca, z odpadu, z procesu obok) i podbić je do poziomu, który już można wpiąć w technologię.
W tle jest też ciekawy wątek strategiczny: jeżeli przemysł ma szybciej odchodzić od paliw kopalnych, to potrzebuje rozwiązań, które da się masowo wdrożyć bez przebudowy całych fabryk od zera. A odzysk ciepła, zwłaszcza jeśli da się go „dokręcić” do wyższych temperatur, bywa jedną z niewielu dróg, które nie wymagają rewolucji, tylko inteligentnego spięcia tego, co już istnieje.
Najbardziej „kosmicznie” brzmi obietnica dojścia docelowo nawet do ok. 1300°C w okolicach 2040 roku. Tu trzeba postawić grubą kreskę: to nie jest wynik prototypu, tylko prognoza i ambicja rozwojowa (materiały, konstrukcja, skala, niezawodność, wszystko jeszcze może zmienić równanie). Ale sama odwaga w celowaniu w tak wysoki pułap pokazuje, gdzie jest dziś największa luka technologiczna.
Co może pójść nie tak?
Po pierwsze: skala. Laboratorium wybacza więcej: krótsze cykle pracy, lepszą kontrolę warunków, mniejszą presję na koszty. Przemysł oczekuje stabilności, serwisu, dostępności części i pracy w środowisku, które potrafi zajechać nawet „nudne” urządzenia HVAC.
Po drugie: sprawność i ekonomia. Termoakustyka ma opinię podejścia obiecującego, ale trudnego do komercjalizacji, między innymi przez koszty i ograniczenia wydajności w praktycznych wdrożeniach. To się może zmieniać, ale dopóki nie zobaczymy instalacji pilotażowych, nie ma sensu udawać, że rynek już stoi w kolejce.
Po trzecie: konkurencja rozwiązań. Pompy ciepła „klasyczne” też idą do przodu, są rozwijane technologie wysokotemperaturowe (często do ~200°C), a obok istnieją inne ścieżki dekarbonizacji ciepła procesowego: elektryfikacja oporowa, wodór, biomasa, piece plazmowe, magazyny ciepła. I bardzo możliwe, że przyszłość będzie patchworkiem – różne branże wybiorą różne miksowanie technologii.
W energetyce najwięcej ciekawych rzeczy umiera między prototypem a halą produkcyjną, nie dlatego, że fizyka kłamie, tylko dlatego, że rachunek ekonomiczny i wymagania serwisowe są bezlitosne. Jeśli jednak zobaczymy sensowne pilotaże w realnych zakładach (z danymi o kosztach, żywotności i efektywności), temat może wejść do tej samej ligi, co wielkie dyskusje o elektryfikacji przemysłu.
Najbardziej „rynkowo” widzę to tak: nawet gdyby technologia miała wspierać tylko część procesów, to i tak byłaby potężnym narzędziem do odzysku ciepła odpadowego, czyli do wyciskania więcej z tej samej energii. A to zwykle jest pierwszy krok do prawdziwej transformacji, zanim przyjdą te najbardziej spektakularne zmiany.