Hőszivattyú a jövő energiaforrása

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?
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.

 

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")

Az 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? 

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

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.
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