Rosnące znaczenie efektywności energetycznej, dekarbonizacji oraz stabilności dostaw energii sprawia, że rozwiązania oparte na pompach ciepła coraz częściej wychodzą poza sektor budownictwa mieszkaniowego i wchodzą do przemysłu energetycznego. Technologia, która jeszcze niedawno kojarzyła się głównie z ogrzewaniem domów jednorodzinnych, dziś pełni kluczową funkcję w systemach ciepłowniczych, elektrociepłowniach, zakładach przemysłowych oraz w nowoczesnych koncepcjach energetyki rozproszonej. Zastosowanie pomp ciepła w tych obszarach nie tylko podnosi sprawność systemów, ale także umożliwia integrację z odnawialnymi źródłami energii, odzysk ciepła odpadowego i redukcję emisji gazów cieplarnianych, co ma zasadnicze znaczenie dla realizacji polityki klimatycznej i transformacji energetycznej.

Podstawy działania pomp ciepła i ich miejsce w systemie energetycznym

Pompę ciepła można postrzegać jako urządzenie, które umożliwia transport energii cieplnej z poziomu niższej temperatury do poziomu wyższej, przy pomocy dostarczonej energii z zewnątrz (najczęściej energii elektrycznej lub mechanicznej). Działanie to opiera się na cyklu termodynamicznym, w którym czynnik roboczy paruje, spręża się, skrapla, a następnie rozpręża, umożliwiając wielokrotne przejście przez obieg. Kluczowym parametrem opisującym efektywność pompy ciepła jest współczynnik efektywności (COP – Coefficient of Performance), określający stosunek uzyskanego ciepła do włożonej energii napędowej.

W kontekście energetyki znaczenie pomp ciepła wykracza poza ich rolę jako zwykłych urządzeń grzewczych. Można je bowiem traktować jako aktywny element systemu, który:

• umożliwia transformację jakościową energii cieplnej – podnosząc jej temperaturę do poziomu użytecznego technologicznie,
• pozwala na odzysk i wykorzystanie ciepła odpadowego, dotychczas emitowanego do otoczenia,
• integruje systemy ciepłownicze z energetyką elektryczną poprzez wykorzystanie nadwyżek prądu z OZE,
• wspiera bilansowanie systemu elektroenergetycznego dzięki elastycznemu zapotrzebowaniu na energię elektryczną,
• redukuje emisję CO₂ w porównaniu z tradycyjnymi źródłami opartymi na spalaniu paliw kopalnych.

W odróżnieniu od klasycznych kotłów, pompa ciepła nie wytwarza energii cieplnej poprzez spalanie, ale przemieszcza ją z otoczenia lub strumieni odpadowych. Dzięki temu przy odpowiednim doborze parametrów pracy może dostarczać kilka razy więcej energii cieplnej, niż wynosi zużycie energii elektrycznej. W systemach energetycznych, szczególnie tych bazujących na odnawialnych źródłach, taka możliwość odzysku i podnoszenia temperatury ciepła jest jednym z fundamentalnych narzędzi poprawy ogólnej efektywności energetycznej.

Punktem wyjścia do analizy roli pomp ciepła w przemyśle energetycznym jest więc zrozumienie, że stają się one elementem łączącym różne sektory: ciepłownictwo, elektroenergetykę, przemysł oraz gospodarkę komunalną. Technologie te idealnie wpisują się w koncepcję sektorkouplingu – czyli łączenia sektorów energii elektrycznej, ciepła, chłodu oraz transportu w jeden, wzajemnie uzupełniający się organizm.

Zastosowanie pomp ciepła w ciepłownictwie i elektrociepłownictwie

Sektor ciepłowniczy jest jednym z kluczowych obszarów wykorzystania pomp ciepła w przemyśle energetycznym. Tradycyjne systemy ciepłownicze w wielu krajach, w tym w Polsce, opierają się na dużych kotłach węglowych lub gazowych, które dostarczają ciepło do sieci poprzez sieci magistralne i rozdzielcze. Transformacja tego sektora w kierunku niskoemisyjnym wymaga zastępowania lub uzupełniania konwencjonalnych jednostek właśnie pompami ciepła, zwłaszcza w konfiguracji wysokotemperaturowej oraz w połączeniu z innymi źródłami, takimi jak kotły biomasowe czy szczytowe kotły gazowe.

Pompy ciepła w miejskich systemach ciepłowniczych

Jednym z najbardziej obiecujących kierunków rozwoju jest integracja dużych pomp ciepła z miejskimi systemami ciepłowniczymi. Pozwala to na wykorzystanie różnorodnych dolnych źródeł ciepła, takich jak:

• wody powierzchniowe (rzeki, jeziora, zbiorniki retencyjne),
• wody gruntowe oraz zasoby geotermalne niskotemperaturowe,
• ścieki komunalne w oczyszczalniach,
• powietrze atmosferyczne (szczególnie w systemach hybrydowych),
• ciepło odpadowe z zakładów przemysłowych i centrów danych.

Integracja taka może odbywać się na kilku poziomach: od włączenia jednej dużej pompy ciepła jako centralnego źródła w ciepłowni, po tworzenie rozproszonych węzłów w sieci, zasilanych lokalnie dostępnym ciepłem niskotemperaturowym. W efekcie sieć ciepłownicza przekształca się w platformę dystrybucji energii, w której różne źródła współdziałają, a pompy ciepła pełnią rolę konwerterów podnoszących temperaturę do poziomów wymaganych przez odbiorców.

W praktyce miejskie pompy ciepła mogą funkcjonować w kilku trybach:

• jako podstawowe źródło ciepła w okresach umiarkowanej temperatury zewnętrznej,
• w układzie szeregowo-równoległym z kotłami szczytowymi, które uruchamiają się tylko przy największych mrozach,
• jako urządzenia do podgrzewu ciepłej wody użytkowej przy jednoczesnym zasilaniu niskotemperaturowych instalacji grzewczych,
• jako pompy ciepła typu woda–woda lub solanka–woda współpracujące z magazynami ciepła (zbiorniki, grunt, zasobniki PCM).

Wprowadzenie pomp ciepła do ciepłownictwa systemowego wiąże się również z koniecznością modernizacji sieci, w tym obniżenia parametrów pracy systemu (temperatury zasilania i powrotu). Niskotemperaturowe sieci ciepłownicze czwartej generacji (4GDH) i piątej generacji (5GDH) są niemal naturalnym środowiskiem pracy dla przemysłowych pomp ciepła, umożliwiając efektywne wykorzystanie ciepła o stosunkowo niskiej temperaturze. Takie podejście sprzyja też dalszej integracji z innymi technologiami odnawialnymi, jak kolektory słoneczne czy współpracujące z siecią instalacje geotermalne.

Współpraca z OZE i magazynowanie energii

Rozwój generacji rozproszonej i dynamiczny wzrost mocy zainstalowanej w fotowoltaice oraz farmach wiatrowych sprawiają, że w systemie elektroenergetycznym coraz częściej pojawiają się nadwyżki energii elektrycznej w określonych godzinach doby. Pompy ciepła mogą w takim przypadku pełnić funkcję odbiornika nadmiarowej energii, przekształcając ją w ciepło magazynowane w zasobnikach lub w infrastrukturze sieciowej (np. w masie betonowej budynków podłączonych do sieci).

Mechanizm ten jest szczególnie efektywny, gdy połączony zostanie z taryfami dynamicznymi oraz systemami zdalnego sterowania. Operator systemu lub przedsiębiorstwo ciepłownicze może wówczas w czasie rzeczywistym dostosowywać moc pomp ciepła do sytuacji w sieci elektroenergetycznej, zwiększając pobór energii, gdy jej cena jest niska, i ograniczając, gdy występują niedobory. Tego typu rozwiązania wpisują się w ideę Demand Side Response, gdzie odbiorcy ciepła stają się de facto uczestnikami rynku energii, a pompy ciepła są jednym z głównych narzędzi elastyczności.

Przemysłowe pompy ciepła w połączeniu z magazynami ciepła umożliwiają również sezonowe przesunięcie części produkcji energii cieplnej. W praktyce może to oznaczać zwiększone wytwarzanie ciepła w okresach słonecznych lub wietrznych i przechowywanie go w dużych zbiornikach wodnych, gruntowych lub w formie ciepła utajonego. Taka integracja z magazynowaniem pozwala na maksymalne wykorzystanie mocy źródeł odnawialnych, przy jednoczesnym ograniczeniu konieczności utrzymywania rezerw w postaci konwencjonalnych jednostek szczytowych.

Pompy ciepła w elektrociepłowniach i poligeneracji

Elektrociepłownie tradycyjnie kojarzone są z kogeneracją opartą na spalaniu paliw kopalnych (węgla, gazu, biomasy). W nowoczesnym podejściu coraz większego znaczenia nabiera koncepcja poligeneracji, czyli jednoczesnej produkcji ciepła, energii elektrycznej oraz, w razie potrzeby, chłodu, a także usług systemowych. Pompy ciepła, szczególnie w konfiguracjach dużej skali, świetnie wpisują się w taki układ.

Przykładowym rozwiązaniem jest zastosowanie pomp ciepła do odzysku ciepła niskotemperaturowego z układu skraplania turbin parowych, które normalnie odprowadzane jest do chłodni kominowych lub chłodni wentylatorowych. Zamiast tracenia tej energii na rzecz otoczenia, można ją przekształcić na użyteczne ciepło grzewcze dla sieci ciepłowniczej. W efekcie rośnie całkowita sprawność wytwarzania energii, a jednostka staje się bardziej konkurencyjna ekonomicznie i efektywna środowiskowo.

Innym interesującym kierunkiem jest wykorzystanie pomp ciepła w systemach trigeneracyjnych, gdzie obok produkcji ciepła i energii elektrycznej zapewnia się też chłód – na przykład dla potrzeb klimatyzacji budynków lub procesów technologicznych. Pompy ciepła mogą pracować w trybie odwróconym, pełniąc funkcję agregatów chłodniczych, albo też współpracować z absorpcyjnymi lub adsorpcyjnymi urządzeniami chłodniczymi. Pozwala to na bardziej elastyczne zarządzanie strumieniami energii i dostosowanie produkcji do zróżnicowanych profili zapotrzebowania w ciągu roku.

Odzysk ciepła odpadowego i zastosowania przemysłowe

Przemysł energetyczny, rozumiany szeroko jako zbiór procesów związanych z wytwarzaniem, przetwarzaniem i dystrybucją energii, generuje znaczne ilości ciepła odpadowego. Ciepło to powstaje w elektrowniach, rafineriach, zakładach chemicznych, hutach, a także w rozmaitych instalacjach pomocniczych. Tradycyjnie duża część tej energii była nie do wykorzystania z uwagi na zbyt niską temperaturę lub rozproszenie źródeł. Pompy ciepła zmieniają tę logikę, umożliwiając odzysk i podniesienie temperatury nawet relatywnie chłodnych strumieni, co otwiera zupełnie nowe możliwości dla poprawy bilansu energetycznego całych zakładów.

Źródła ciepła odpadowego w energetyce i przemyśle

Do typowych strumieni ciepła odpadowego, które mogą być wykorzystane przy pomocy pomp ciepła, należą:

• wody chłodzące z układów kondensacji pary w elektrowniach i elektrociepłowniach,
• spaliny i gazy wylotowe z turbin gazowych oraz kotłów,
• ciepło z procesów rafinacji ropy i przetwórstwa paliw,
• strumienie ciepła z reaktorów chemicznych i instalacji petrochemicznych,
• ciepło odpadowe z instalacji sprężania gazów, stacji LNG oraz magazynów gazu,
• ciepło z systemów chłodzenia urządzeń elektrycznych i transformatorów dużej mocy,
• niskotemperaturowe strumienie z zakładów produkcji wodoru, metanolu czy amoniaku.

W wielu przypadkach temperatura tych strumieni wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu stopni Celsjusza, co jest wartością niewystarczającą do bezpośredniego wykorzystania w procesach produkcyjnych lub ciepłownictwie systemowym. Zastosowanie pomp ciepła pozwala jednak na podniesienie temperatury do poziomów rzędu 60–120°C, a w nowoczesnych rozwiązaniach wysokotemperaturowych nawet powyżej 150°C, co otwiera możliwość wykorzystania takiego ciepła w szerokim spektrum procesów.

Wysokotemperaturowe pompy ciepła dla procesów przemysłowych

Tradycyjne pompy ciepła stosowane w budownictwie pracują zazwyczaj z temperaturami zasilania do 55–60°C. W przemyśle często wymagane są jednak temperatury rzędu 120°C, 150°C lub więcej. Rozwój technologii wysokotemperaturowych pomp ciepła, wykorzystujących specjalne czynniki robocze, sprężarki i układy kaskadowe, pozwala dziś na realizację takich zadań w sposób opłacalny i stabilny.

Przykładowo, w rafineriach i zakładach chemicznych istnieje wiele procesów, w których ciepło procesowe podgrzewa media do temperatur 120–160°C. Zamiast w całości opierać się na parze nasyconej wytwarzanej z gazu ziemnego lub innych paliw, część zapotrzebowania może zostać pokryta przez wysokotemperaturowe pompy ciepła, odzyskujące ciepło z chłodzenia innych procesów. W ten sposób tworzy się swoisty obieg zamknięty ciepła w obrębie zakładu, w którym energia raz wprowadzona do systemu krąży pomiędzy różnymi instalacjami, minimalizując straty i zużycie paliw pierwotnych.

W hutnictwie i metalurgii interesującym obszarem zastosowania są urządzenia do odzysku ciepła z gazów odlotowych pieców, które po oczyszczeniu mogą stanowić dolne źródło dla pomp ciepła. Podniesione do wyższej temperatury ciepło może następnie zasilać procesy suszenia, podgrzewu powietrza prażenia rud, a nawet lokalne systemy ciepłownicze dla pobliskich osiedli pracowniczych.

W sektorze gazowym i w instalacjach LNG pompy ciepła mogą łączyć chłód związany z regazyfikacją skroplonego gazu z produkcją ciepła użytkowego, tworząc układy o bardzo wysokiej sprawności łącznej. Ciepło odpadowe z tego typu instalacji często nie jest dotychczas w pełni wykorzystywane, dlatego integracja pomp ciepła stanowi istotny krok w kierunku poprawy bilansu energetycznego całych terminali i stacji przeładunkowych.

Integracja z gospodarką komunalną i przemysłem lokalnym

Pompy ciepła stanowią także pomost między przemysłem energetycznym a gospodarką komunalną. Ciepło odpadowe z elektrowni, elektrociepłowni, zakładów chemicznych czy centrów danych, po przetworzeniu w pompach ciepła, może zasilać miejskie sieci ciepłownicze, systemy ciepłej wody użytkowej czy instalacje przemysłu lekkiego, takie jak zakłady spożywcze, pralnie przemysłowe, suszarnie. Tworzy się wówczas lokalne klastry energetyczne, w których energia krąży pomiędzy różnymi odbiorcami.

Dobrym przykładem jest współpraca elektrociepłowni z pobliskim zakładem przemysłowym, który generuje duże ilości ciepła niskotemperaturowego w procesach produkcyjnych. Zamiast rozpraszać to ciepło do otoczenia, można je zgromadzić, obrobić w przemysłowych pompach ciepła i wykorzystać jako dodatkowe źródło dla sieci ciepłowniczej miasta. Tego typu układy wymagają odpowiedniej infrastruktury przesyłowej, automatyki oraz systemów rozliczeń, ale potencjalne korzyści energetyczne i środowiskowe są na tyle duże, że coraz więcej przedsiębiorstw interesuje się takimi rozwiązaniami.

Rozwój gospodarki o obiegu zamkniętym w energetyce obejmuje już nie tylko materiały i surowce, lecz także strumienie energii. Pompy ciepła stają się jednym z najważniejszych narzędzi umożliwiających „zamykanie obiegu” ciepła, poprzez odzysk nawet trudno dostępnych i rozproszonych zasobów energii niskotemperaturowej. W ten sposób system energetyczny staje się bardziej odporny, mniej zależny od importu paliw oraz bardziej zgodny z celami polityki klimatycznej.

Rola pomp ciepła w transformacji energetycznej i wyzwania rozwojowe

W kontekście transformacji energetycznej pompy ciepła pełnią funkcję nie tylko technologii poprawiającej efektywność, ale także narzędzia pozwalającego na głęboką integrację różnych sektorów gospodarki. Szczególne znaczenie mają tu takie zjawiska jak elektryfikacja ciepłownictwa, rozwój infrastruktury OZE, zmiany w strukturze miksu paliwowego oraz wprowadzenie nowych mechanizmów rynkowych i regulacyjnych.

Elektryfikacja ciepłownictwa i miks energetyczny

Elektryfikacja ciepłownictwa polega na stopniowym zastępowaniu kotłów na paliwa kopalne urządzeniami zasilanymi energią elektryczną – w tym pompami ciepła – przy równoczesnym wzroście udziału źródeł odnawialnych w miksie wytwórczym. W miarę jak system elektroenergetyczny staje się coraz bardziej „zielony”, emisja związana z jednostką energii elektrycznej spada, dzięki czemu ciepło wytwarzane w pompach ciepła staje się coraz mniej emisyjne. W perspektywie kilku dekad możliwe jest osiągnięcie bardzo niskiego śladu węglowego całego systemu ciepłowniczego, szczególnie jeśli zostanie on oparty na połączeniu OZE, magazynów energii i pomp ciepła dużej mocy.

Należy jednak podkreślić, że proces ten wymaga odpowiedniego planowania na poziomie systemowym. Znaczny przyrost mocy zainstalowanej w pompach ciepła powoduje zwiększenie zapotrzebowania na energię elektryczną, szczególnie w sezonie zimowym, co musi zostać zbilansowane przez źródła wytwórcze oraz infrastrukturę sieciową. Równocześnie pompy ciepła mogą odgrywać istotną rolę jako odbiorniki elastyczne, które mogą dostosowywać moc do sytuacji w sieci, co w efekcie może ułatwiać integrację dużej ilości niestabilnych źródeł odnawialnych.

Nowe modele biznesowe i regulatory

Rozwój zastosowań pomp ciepła w przemyśle energetycznym pociąga za sobą konieczność zmian w modelach biznesowych przedsiębiorstw energetycznych oraz w ramach regulacyjnych. Pojawiają się nowe typy podmiotów, takie jak operatorzy lokalnych klastrów energii, dostawcy usług zarządzania popytem czy integratorzy systemów ciepło–prąd–chłód. W tego typu warunkach pompa ciepła nie jest wyłącznie urządzeniem technicznym, lecz elementem większego systemu usług energetycznych.

Dla przedsiębiorstw ciepłowniczych pojawia się możliwość przejścia z modelu sprzedaży samego nośnika energii na model świadczenia kompleksowych usług ciepła, obejmujących projektowanie, finansowanie, eksploatację i optymalizację systemów z pompami ciepła. Z kolei operatorzy systemów elektroenergetycznych mogą wykorzystywać moce zainstalowane w pompach ciepła jako zasób elastyczności, podobnie jak obecnie korzysta się z magazynów energii czy jednostek szczytowo–pompowych.

Od strony regulacyjnej kluczowe znaczenie mają takie kwestie jak: struktura taryf za energię elektryczną, opłaty sieciowe, podatki i opłaty środowiskowe, systemy wsparcia dla inwestycji w wysokotemperaturowe pompy ciepła, a także standardy efektywności energetycznej. Niewłaściwie skonstruowane taryfy mogą zablokować rozwój tych technologii, czyniąc je niekonkurencyjnymi wobec tradycyjnych kotłów. Z kolei odpowiednio zaprojektowane mechanizmy zachęcające do korzystania z energii elektrycznej poza szczytem mogą znacząco poprawić opłacalność inwestycji.

Ograniczenia techniczne i wyzwania rozwojowe

Mimo znacznego postępu technologicznego w ostatnich latach, zastosowanie pomp ciepła w przemyśle energetycznym nadal napotyka szereg wyzwań technicznych i organizacyjnych. Do najważniejszych należą:

• konieczność opracowania niezawodnych rozwiązań dla bardzo wysokich temperatur zasilania, powyżej 150°C, odpowiednich dla niektórych procesów przemysłowych,
• zapewnienie trwałości i bezpieczeństwa nowych czynników chłodniczych zgodnych z regulacjami dotyczącymi F-gazów oraz niskiego potencjału tworzenia efektu cieplarnianego,
• integracja pomp ciepła z istniejącą infrastrukturą przemysłową, co wymaga szczegółowych analiz procesowych,
• konieczność dostosowania systemów automatyki, monitoringu i sterowania w celu optymalnej współpracy z siecią elektroenergetyczną,
• potrzeba budowania kompetencji inżynierskich i serwisowych w skali przemysłowej.

Istotnym wyzwaniem jest również kwestia akceptacji społecznej i świadomości technicznej. Choć pompy ciepła są coraz powszechniej znane w segmencie budownictwa mieszkaniowego, ich rola w przemyśle energetycznym nadal bywa niedoszacowana. Dlatego konieczne są programy informacyjne, pilotażowe instalacje demonstracyjne oraz współpraca między ośrodkami naukowymi a przemysłem, aby upowszechnić wiedzę o możliwościach tej technologii.

Patrząc perspektywicznie, kierunki rozwoju obejmują m.in. integrację pomp ciepła z wodorowymi systemami energetycznymi (wykorzystanie ciepła z elektrolizerów i ogniw paliwowych), rozwój dużych sieci niskotemperaturowych piątej generacji oraz wydłużanie łańcucha wartości energii poprzez kompleksowe zarządzanie ciepłem, chłodem i energią elektryczną w skali całych regionów. W każdym z tych scenariuszy pompy ciepła pełnią rolę kluczowego konwertera energii, pozwalającego efektywnie wykorzystywać dostępne zasoby i minimalizować straty na wszystkich etapach procesu energetycznego.