Hőszivattyú a jövő energiaforrása

Az ipari forradalom mentesítette az emberiség egyre nagyobb részét a nehéz testi munkától és megsokszorozta a civilizáció és kultúra lehetőségeit. Több teret adott a tudás kibontakozására. Az egyre növekvő energiaigényt a fosszilis energiahordozók kitermelése biztosította. Azonban ezek tartalékai nem kimeríthetetlenek, egyre költségesebb a kitermelésük. A növekvő felhasználásuk hátrányokat is hozott. A légkör CO2 egyensúlya megbomlott, felerősödött az üvegház-hatás. A légkör felmelegedése káros hatásokkal jár. Már most jelentkezik a növekvő légköri energia hőtartalma miatt a szélviharok erősödése, a gleccserek elolvadása, a sarki jégtakarók fogyása, az árvizek gyakoribbá válása.

150 éve vannak meteorológiai feljegyzések, melyek szerint ez idő alatt 1 °C-kal növekedett a Föld középhőmérséklete. A riasztó az, hogy a melegedést leíró görbe exponenciális alakot mutat. A melegedés gyorsulása már most tízszer nagyobb, mint a földtörténeti felmelegedési időszakokban volt. A legutolsó melegkorban a hőmérséklet 5 °C-os növekedése a tengerek 70-100 méteres emelkedéséhez vezetett. Az emberiség szegényebb fele az elöntéssel fenyegetett termékeny tengerparti síkságokon él, és ezek kényszerű vándorlása nemzeti és vallási háborús katasztrófák kirobbanásához vezethet. Az emberiség jövőjét féltő tudósok, politikusok egyre komolyabban javasolják a fosszilis energiahordozók fogyasztásának visszafogását. Mások viszont a fejlődés menetét féltik. Van-e lehetőség a fejlődés gyorsulása mellett a fosszilis energiák fogyasztásának csökkentésére?
Hőszivattyú elve Kétségtelen, hogy amíg az atomenergia felhasználásának tökéletes biztonságát nem sikerül megoldani, addig a növekvő áramigény előállítása főként csak fosszilis energiahordozókkal, szénnel, olajjal, gázzal történhet. Kis részét adja a vízierő. Viszont az energia felét olyan célra hasznosítjuk, ahol nem szükséges az extrém magas hőmérséklet. Ilyen a fűtés, vízmelegítés, sok vegyi folyamat. Ezeket már bevált alacsony hőfokú energiát előállító készülékekkel meg lehet oldani.
A Nap, a földhő az emberiség energia-igényének többszörösét ajándékozza. Több ilyen forog a köztudatban: vízi, szél és ár-apály erőművek, fatüzelés, napenergia, biogáz, biodízel stb. Ezek között kiemelkedő helyet foglal el a hőszivattyú. A fejlett országokban óriási kultúrája van a hőszivattyús hőtermelésnek, pl. a nálunk hidegebb klímájú Svájcban 2000-ben 53000 hőszivattyú 1000 MW teljesítménnyel működött. Nálunk viszont hiányzik a tájékoztatás ennek a fűtőgépnek az előnyeiről.

Mi is a hőszivattyú? 

Lényegében nem különbözik egy háztartási hűtőszekrénytől. A hűtőszekrény a beléhelyezett ételt lehűti, vagyis kivonja a hőtartalmát, és azt a hátán vagy alján lévő hőcserélő segítségével kisugározza a környezetbe. A hőszivattyú ugyanezzel a szerkezettel ezt fordítva csinálja. A környezetet hűti le, a kinyert energiával pedig fűteni, melegíteni lehet.
A hőszivattyú elméletét 1780 körül Carnot dolgozta ki a Carnot-körfolyamat megfordíthatóságával. Míg a hőből munkát csak veszteségek árán lehet termelni (ebből ered a másodfokú perpetuum mobile kizárása), addig a munka hővé könnyen, veszteségek nélkül alakítható. Csak megfelelő technika kell hozzá.

Talajvizes hőszivattyú Földhőből, közvetlen elpárologtatással működő hőszivattyú (gáz fűtőközeggel) Földhővel, fagyálló fűtőközeggel Külső levegőből működő hőszivattyú

 

Hőszivattyú típusok

Megnevezés

Energiaforrás

Hőleadó közeg

víz-víz

kút, folyó, tengervíz, szennyvíz,
termálcsurgalék, talajkollektor,
száraz furat

forró víz

levegő-víz

levegő

forró víz

levegő-levegő

levegő

levegő

víz-levegő

kút, folyó, tengervíz, szennyvíz,
termálcsurgalék, talajkollektor,

száraz furat

levegő

A mechanikai munka képlete:
W=Q x (T1-T2) ahol Q a munkavégző közeg tömege, T1 és T2 a munkavégzés előtti és utáni hőmérséklet Kelvin fokokban. A munkavégzés hatásfoka h=(T1-T2)/T1. A hatásfok elég alacsony, pl. egy gőzturbinánál, mely 300 °C-os gőzt használ fel, azt 100 °C-on kondenzálja: h=(573-373)/573=0,35

A legkiválóbb korszerű gőz- és gázturbinák alig tudják a 0,50 hatásfokot meghaladni. A magyar erőműrendszer összhatásfoka 0,40 alatt van.
De fordítsuk meg a körfolyamatot. Az eredményt ne is nevezzük hatásfoknak, hanem hatékonyságnak és jelöljük e-nak, az összetévesztés elkerülése végett: e=T1/(T1-T2). Az előbbi példánkban az eredmény 4,73 lenne.

(e = "epszilon")

Vízszintes talajkorrektorAz 1800-as évek közepén feltalálták a megfelelő technikát a hűtőgéppel. Mivel ennél lefelé kell kényszeríteni a hőt munka beiktatásával, ezért a képlet módosul: e=T2/(T1-T2). Ha pl. egy 90 °C hőfokú anyagot lehűtünk 10 °C-ra az eredmény: e=283/(363-283)=3,54.
Röviddel ezután, 1860-ban egy Rittingen nevű osztrák mérnök a hűtőgépet megfordította, hogy mechanikai munka segítségével hőt nyerjen. Érdekes, hogy egy környezetet veszélyeztető probléma vezette a gondolatra. A salzburgi sóbányáknál dolgozott, és a sólepárló kazánok számára kivágott fák miatt már veszélybe kerültek a környező erdők. Ezek elég alacsony hatásfokú gépek voltak, de óriási előre lépést jelentettek a sólepárló kazánokhoz képest. Azóta méltán pártolják a környezetvédők a hőszivattyút.
A XX. század energiaéhsége kikövetelte a hőszivattyúk hatékonyabb rendszerének kialakítását. Ezt 1948-ban a zürich-i Műegyetemen végezték el, és ebben a munkában oroszlánrésze volt egy fiatal magyar tehetségnek, Heller Lászlónak, a későbbi műegyetemi professzornak, aki ekkor és ebből védte meg doktori disszertációját.
Az olajárrobbanások tovább népszerűsítették a hőszivattyút. 1999 májusában, a Nemzetközi Energetikai Ügynökség rendezésében Berlinben tartották az V. Hőszivattyús Világkonferenciát. Ezen hozták nyilvánosságra, hogy a Földön 9 millió fűtési hőszivattyú dolgozik, már 6%-kal csökkentve az üvegházhatást.

Milyen gép is a hőszivattyú? 

Mélyszonda (min. 50 m)Lényegében igen egyszerű szerkezet. Felépítésében nem különbözik egy háztartási vagy ipari hűtőgéptől. Azok a zárt térben lévő anyagot lehűtik, vagyis kivonják belőle a hőenergiát, és egy hőcserélőn keresztül átadják a környezetnek. A hőszivattyú viszont a környezet lehűtésével nyeri a hőt, és egy zárt teret, lakást, irodát, vagy vizet melegítenek vele. A környezeti hőforrás lehet levegő, talajvíz, talajhő, szennyvíz, vagy bármi más hőtartalmú anyag.
A hőszivattyú két hőcserélőt tartalmaz, melyeket egy csővezeték köt össze. A vezetékben egy sajátos munkaközeget keringet a kompresszor. Ez a közeg csak nagy nyomáson cseppfolyósítható, különben hevesen elpárolog. Korábban freont használtak erre a célra, a légköri ózonpajzs kímélése végett ma már különböző, veszélytelen, nem mérgező, nem robbanó gázkeverékeket alkalmaznak.
Köztudott, hogy a párolgáshoz hő szükséges, melyet a környezetből von el a hűtőközeg a lecsapódásnál, a gázok összenyomásánál a hő felszabadul. A meleg hőcserélőben, kondenzátorban a munkaközeg forró, folyékony állapotban van, 15-25 bar nyomáson, 35-65 °C hőmérsékleten. Az innen kilépő munkaközeget egy expanziós (nyomáscsökkentő) szelep pl. 5 bar nyomásra ejti. Ez ekkor hevesen elpárolog, lehűl pl. 0°C-ra. (A kívánt állapotot a szelep beállításával lehet szabályozni.) Az elpárolgáshoz szükséges hőt a hideg oldali hőcserélő (evaporátor, elpárologtató) szekunder oldalán átáramló energiaadó közegből, pl. 10°C hőfokú kútvízből nyeri, annak 5°C-re való lehűtésével, miközben a munkaközeg felmelegszik 5°C-ra. Ezt a kompresszor elszívja és bepréseli a kondenzátorba, melynek szekunder oldalán áramlik a fűtéshez használt víz vagy levegő, melynek a munkaközeg átadja az átvett hőt, valamint a kompresszort meghajtó motor hővé átalakult energiáját. Utána ismét a nyomáscsökkentő szelepre kerül, és a körfolyamat folyatódik.

100 kW hőtartalmú fosszilis energiával termelhető hasznos hő

 

Veszteség
(kWó)

Környezeti
(kWó)

Hasznos
(kWó)

Villamos erőmű olajjal 

65

0

35

Villamos erőmű gázzal

60

0

40

Villamos erőmű gázzal, kombi ciklus

10

0

90

Olajkazán

40

0

60

Gázkazán régi

30

0

70

Gázkazán új

20

0

80

Gázkazán kondenzációs

10

15

105

Villamos hőszivattyú levegőből, talajhőből

60

80

120

Villamos hőszivattyú talajvízből

60

120

160

Villamos hőszivattyú termál csurgalékból

60

160

200

Levegős hőszivattyú (a szomszédos pincéből előmelegített levegőt szív) A hőszivattyút, akár egy hűtőgépet, gyárilag készre szerelik, és a felállítási helyen csak az elektromos és a csőkapcsolatokat kell felszerelni.
Legkedvezőbb hőforrás a talajvíz, melyet hazánkban még a szükségesnél is nagyobb mértékben lelhetünk fel. Ennek hőfoka az évszaktól függetlenül állandó, mert 1-2 méternél mélyebben a légkör hőmérséklete már nem befolyásolja a folyamatosan felfelé áramló földhőt, mely a talajvízben jelenik meg, és lehetővé teszi a földhő elosztását. Ennek mértéke hazánkban 0,09 W/m2/óra. Az ország területén a földhő teljesítménye kb. 9000 MW, közel annyi, mint a háztartások összes hőigénye. Célszerű a hőszivattyúval lehűtött talajvizet a termelő kúttól min. 15-20 méterre lévő nyelő kútban elszikkasztani, hogy ne csökkenjen a talajvíz szintje. 1 m3/óra talajvízből 6 kW vehető ki, mellyel egy közepes háztartást lehet fűteni.
Hasonlóan jó a felhasznált termálvíz, mely általában 30-32°C hőmérséklettel kerül a szennyvízcsatornába. Ezekből hazánkban jelenleg kb. 100 MW lenne kinyerhető. Jó példát mutat erre a Harkányi Gyógyfürdő, mely a felhasznált gyógyvíz hőtartalmának hőszivattyús kinyerésével egy kb. 6 MW teljesítményű távfűtő teleppel 53 fogyasztót lát el.
Nem elhanyagolható energiában szegény hazánkban a tisztított szennyvíz. Csak az Északpesti Szennyvíztisztító Telepből 100 MW lenne kivehető.
Az ún. "vízi energiában" szegény hazánk folyói, tavai óriási hőenergiát tárolnak. A Duna legkisebb vízállásánál 1°C hűtéssel 6000 MW nyerhető ki. Ez elegendő lenne a főváros 800 000 lakásának fűtésére, csak nagy hidegben kellene rásegíteni fosszilis tüzelőanyaggal. A folyók, tavak a legnagyobb hidegben sem fagynak fenékig. Alsóbb rétegeik 4°C alá sosem hűlnek, mert a medret a földhő melegíti.
A földhőt közvetlenül lehet kinyerni talaj-kollektorral. Ez a talajba, fagyhatár alá fektetett csőkígyó, melyben glykolos vizet vagy direkt a munkaközeget keringetve nyerjük ki a földhőt. Ennél azonban, akár a levegőből dolgozó hőszivattyúknál, számítani kell keményebb hidegben rásegítő fűtésre (I. táblázat).

A hőszivattyúval szemben hazánkban elég nagy idegenkedés tapasztalható. Két ellenvetés gyakori:

  • A hőszivattyú nem megújuló energiaforrás, mert meghajtásához elektromos vagy más energia szükséges, többet vesztünk a réven, mint nyerünk a vámon.
  • Ha figyelembe vesszük az erőművek veszteségeit, már nemzetgazdasági szinten nincs energia- megtakarítás. A hőszivattyú csak ott gazdaságos, ahol a villamos energiát vízi erőművekből nyerik, mint Ausztriában vagy Svájcban.
  • Nézzük meg, hogy a különböző fűtőberendezések 100 kW hőtartalmú fosszilis energia elégetésével mennyi hasznos teljesítményt nyújtanak. A hőszivattyúnál figyelembe vettük a villamos energia előállításánál keletkező veszteséget (II. táblázat).
    Jól látható, hogy azonos mennyiségű fosszilis energia felhasználásával a hőszivattyú 2-3-szor annyi hasznos energiát tud leadni, mint bármely más hőtermelő technika. A hazánkban bőségesen fellelhető termálvíz és talajvíz kiváló médium a hőszivattyús hőtermelésre.
    Hőszivattyú metszete Nézzük a másik kifogást, hogy nem gazdaságos a hőszivattyús hőtermelés. Hasonlítsuk össze az energiahordozók árát és hasznosítható hőtartalmát (III. táblázat).
    Csak a vezetékes gáz mai költsége versenyképes a hőszivattyúval. Ez az irreálisan nyomott ár soká nem tartható, mert pazarlásra ösztönöz, különösen az energiaigényes iparágakban. A tényleges bekerülési költséget nem az fizeti meg, aki használja, hanem a MOL Rt. más termékeiben kell a ráfordítást fedezni.
    További kérdés, hogy érdemes-e a viszonylag drága gépet, kutat, szerelést beruházni? A mai gázárral szemben tényleg nem. De ahol nincs vezetékes gáz, az ország háztartásainak 30%-ánál, vagy új lakóház építésénél, már igen. Világszerte törekszenek környezetvédelmi, gazdasági megfontolásból a megújuló energiaforrások kihasználására. Nálunk 1994 óta támogatást, kedvezményes hitelt kaptak a hőszivattyúhoz az önkormányzatok, és a gazdasági társaságok. 2 éve már a háztartások is kaphatnak Széchenyi támogatást, 4% kamatú +2% kezelési költségű lakás-felújítási hitelt, 6-25 éves törlesztésre. Sajnos kevesen tudnak róla és veszik igénybe. Pedig érdemes.
    Ha egy 200 m2-es lakást olajfűtésről átállítjuk hőszivattyúra, a beruházási költsége 2000 000 Ft, a következők a költségek: Széchenyi-terv támogatás 500000 Ft; felújítási hitel 1 500 000 Ft, 10 éves törlesztésre. A IV. táblázatból látható, hogy már az első évben élvezhetjük a megtakarítást, valamint a szagtalan, tiszta fűtést, a nyári hűtést. Ha az inflációt is figyelembe vesszük, úgy még nagyobb a különbség.

    Energiahordozók ára és hasznosítható hőtartalma

    Fűtőanyag

    Egység

     Egységnyi
    Ft

    kWó

    Tüzelési
    hatásfok

    Ft/kWó

    200 m2-es lakás
    fűtési költsége (eFt/év)

    Tüzelőolaj

    liter

    140

    9,22

    0,7

    21,69

    843

    Fűtőolaj

    kg

    80

    11

    0,65

    11,19

    435

    Földgáz (mai ár)

    m3

    38

    9,03

    0,8

    5,26

    205

    Földgáz (EU-ár)

    m3

    120

    9,03

    0,8

    16,61

    646

    PB gáz tartályos

    kg

    180

    12,8

    0,8

    17,58

    683

    PB gáz palackos

    kg

    220

    12,8

    0,8

    21,48

    835

    Magyar szén

    kg

    40

    5,5

    0,6

    12,12

    471

    Import szén

    kg

    50

    7

    0,65

    10,99

    427

    Villamos fűtés

    kWó

    16

    1

    0,96

    16,67

    648

    Éjszakai áram

    kWó

    11

    1

    0,96

    11,46

    446

    Távfűtés (gázzal)

    Ft/m3/év

    1100

    9,03

    0,74

    16,46

    640

    Hőszivattyú kútvízből

    kWó

    16

    0,96

    4

    4,17

    162

    Hőszivattyú levegőből

    kWó

    16

    0,96

    3

    5,56

    216

    200 m2 lakás olajfűtésről hőszivattyúra átállított fűtési költsége és megtakarítása

    Év Fűtési költség (eFt/év)
    Olaj
    Fűtési költség (eFt/év)
    Hőszivattyú
    Hitel Kamat Törlesztés Összes
    költség
    Megtakarítás

    1.

    843

    297

    1500

    90

    200

    587

    256

    2.

    843

    297

    1390

    83

    200

    580

    263

    3.

    843

    297

    1273

    76

    200

    573

    270

    4.

    843

    297

    1150

    69

    200

    566

    277

    5.

    843

    297

    1019

    61

    200

    558

    285

    6.

    843

    297

    880

    53

    200

    550

    293

    7.

    843

    297

    733

    44

    200

    541

    302

    8.

    843

    297

    577

    35

    200

    532

    311

    9.

    843

    297

    411

    25

    200

    522

    321

    10.

    843

    297

    236

    14

    250

    561

    282

    Összesen:

    8 430

    2 970

     

     

    2 050

     

    2 860

    További érdekes cikkeinkről se maradsz le, ha követed az Ezermester Facebook oldalát, vagy előfizetsz a nyomtatott lapra, ahol folyamatosan újdonságokkal jelentkezünk!


    Szólj hozzá a cikkhez!

    Be kell jelentkezned, hogy hozzászólhass a cikkekhez!
    Ezermester, Facebook, vagy Google fiókkal is bejelentkezhetsz.

    Energiatermelő zsindely

    Az energiatermelő zsindely napelemei – a napkollektoroktól eltérően – nem a nap melegét, hanem annak fényét hasznosítják, ezért napsütéses hidegben, akár télen is megfelelő mennyiségű energiát...


    Szolár tároló választása

    A megújuló energiát használó rendszerek egyik központi eleme a tároló. A melegvízkészítő rendszereknél (solar thermal és hőszivattyús) ez az egység a bojler vagy puffertároló.