H επιστροφή των αντλιών θερμότητας

Όσο οι τιμές του αερίου αυξάνονται εξαιτίας του πολέμου στην Ουκρανία και της πίεσης από την πλευρά της ΕΕ για μείωση των εκπομπών αερίου, οι ευρωπαϊκές βιομηχανίες στρέφονται όλο και περισσότερο στις αντλίες θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας και απόδοσης.

Η τουβλοποιία Wienerberger στο Uttendorf της Αυστρίας, στις Τυρολέζικες Άλπεις, ανέκαθεν απαιτούσε ένα σταθερό θερμό ρεύμα θερμοκρασίας 90 °C για να στεγνώνουν τα τούβλα. Η διαδικασία αυτή θα είχε γίνει ιδιαίτερα δαπανηρή για την εταιρεία από τη στιγμή που η Ρωσία μείωσε τις εξαγωγές αερίου προς την Ευρώπη, όπως συνέβη και για πολλές ακόμα ενεργοβόρες βιομηχανίες του κατασκευαστικού τομέα. Ωστόσο, τέσσερα χρόνια νωρίτερα, η Wienerberger – ο μεγαλύτερος παραγωγός τούβλων στον κόσμο – πραγματοποίησε μια επένδυση η οποία απέδωσε τα μέγιστα: αντικατέστησε τον καυστήρα αερίου της με μια αντλία θερμότητας βιομηχανικής κλίμακας, μειώνοντας έτσι τις ετήσιες δαπάνες της για ενέργεια κατά περίπου $456.000.

Επί δεκαετίες, ηλεκτρικές αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνταν σε κατοικίες και άλλα κτίρια της Ευρώπης για σκοπούς θέρμανσης και ψύξης, αλλά δεν έγιναν ποτέ ιδιαίτερα δημοφιλείς στο βιομηχανικό κλάδο, ο οποίος έχει πολύ υψηλότερες ενεργειακές ανάγκες για την παραγωγή ζεστού νερού και ατμού. Και με δεδομένο ότι τα ορυκτά καύσιμα παρέμεναν επί μακρόν αρκετά οικονομικά, οι βιομηχανίες δεν είχαν ιδιαίτερο κίνητρο να αντικαταστήσουν τα συστήματά τους που βασίζονταν στην καύση πετρελαίου ή αερίου με πιο «πράσινες» εναλλακτικές. Τώρα, με την εξέλιξη των αντλιών θερμότητας, που μπορούν πλέον να αποδίδουν θερμοκρασίες έως και 160 °C, καθώς και την αύξηση της τιμής του αερίου λόγω του πολέμου στην Ουκρανία, η παραπάνω σχέση έχει αναστραφεί πλήρως. Πολλές ευρωπαϊκές επιχειρήσεις αναθεωρούν τις ενεργειακές πηγές τους ενώ ταυτόχρονα μειώνουν σημαντικά τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου, σύμφωνα και με τις επιταγές της ΕΕ. Η Ευρωπαϊκή βιομηχανία ευθύνεται για περισσότερο από το 1/4 των συνολικών εκπομπών αερίων θερμοκηπίου.

Για να πετύχει τους φιλόδοξους ενεργειακούς της στόχους και να απεξαρτηθεί από το ρωσικό αέριο, η ΕΕ βασίζεται ακριβώς σε μια επανάσταση των αντλιών θερμότητας. Σε πολλές χώρες, οι πωλήσεις των αντλιών θερμότητας – κυρίως για οικιακή χρήση – διπλασιάστηκαν κατά το πρώτο μισό του 2022. Στη Γερμανία, το μεγαλύτερο ευρωπαϊκό καταναλωτή ρωσικού αερίου, η ζήτηση αυξήθηκε κατά 52% πέρσι, ενώ η αύξηση σε όλη την ΕΕ κατά το 2021 ήταν 35%. Στο μεταξύ όμως, στο βιομηχανικό κλάδο λαμβάνει χώρα μια μάλλον λιγότερο προαναγγελθείσα μετάβαση στις αντλίες θερμότητας. Η εταιρεία Wienerberger, για παράδειγμα, εγκαθιστά παρόμοιες αντλίες στα χυτήριά της στην Ολλανδία, τη Μεγάλη Βρετανία, την Πολωνία, τη Ρουμανία, αλλά και σε άλλες περιοχές στην Αυστρία.
«Πριν από πέντε χρόνια, οι περισσότερες εταιρείες δεν γνώριζαν σχεδόν τίποτα για τις αντλίες θερμότητας», σύμφωνα με τη Veronika Wilk, ανώτερη ερευνήτρια μηχανικό στο Αυστριακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας. Πλέον οι εταιρείες τις γνωρίζουν και οι αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στη βιομηχανία».

Υψηλή απόδοση
Μια αντλία θερμότητας συμπίεσης μπορεί να θερμάνει αλλά και να ψύξει τον αέρα. Τον χειμώνα, ανεβάζει τη θερμοκρασία του εσωτερικού χώρου απομακρύνοντας θερμότητα από νερό, από τη γη σε μεγάλο βάθος, ή από τον εξωτερικό αέρα. Στη συνέχεια αυξάνει τη θερμοκρασία του, χρησιμοποιώντας μικρή ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας και διοχετεύει αυτόν τον αέρα στον εσωτερικό χώρο. Ακόμα και αέρας θερμοκρασίας -12 °C, περιέχει ποσότητα ενέργειας επαρκή για να την αποσπάσει μια αντλία θερμότητας και να αυξήσει έτσι τη θερμοκρασία του. Το καλοκαίρι, οι ηλεκτρικές αντλίες θερμότητας ρίχνουν τη θερμοκρασία του εσωτερικού χώρου απομακρύνοντας θερμότητα από τον αέρα του εσωτερικού χώρου και απορρίπτοντάς τον στο εξωτερικό περιβάλλον. Οι αντλίες θερμότητας απορρόφησης δεν λειτουργούν με ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά με μια πηγή θερμότητας. Αυτή μπορεί να είναι το φυσικό αέριο, αλλά μπορεί επίσης να είναι νερό θερμαινόμενο από ηλιακή ενέργεια ή ακόμα και η απορριπτόμενη θερμότητα από κέντρα πληροφορικής (data centers) ή αποχετεύσεις. Οι αντλίες θερμότητας επιτυγχάνουν την επιθυμητή θερμοκρασία και στη συνέχεια αποδίδουν θερμό αέρα ή ζεστό νερό.

Ανάλογα με την κατεύθυνση κίνησης της θερμότητας (προς τα έξω ή προς τα μέσα) τα έμβολα της αντλίας θερμότητας είτε συμπιέζουν είτε εκτονώνουν ένα ρευστό, προκαλώντας έτσι αντίστοιχα τη θέρμανση ή την ψύξη του. Δεδομένου ότι η λειτουργία των αντλιών θερμότητας περιλαμβάνει μόνο την κίνηση ρευστών, η απόδοσή τους είναι τουλάχιστον διπλάσια από αυτή των καυστήρων που καίνε καύσιμα.

Σύμφωνα δε με τον Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας (International Energy Agency, ΙΕΑ), οι αντλίες θερμότητας έχουν 3 με 5 φορές μεγαλύτερη απόδοση από το αέριο. Και αν λειτουργούν με τη βοήθεια ηλιακής, αιολικής, υδροηλεκτρικής ή απορριπτόμενης ενέργειας, έχουν μηδενικό αποτύπωμα άνθρακα.
Σε αντίθεση με τις αντλίες θερμότητας οικιακής χρήσης, των οποίων οι εξωτερικές μονάδες έχουν το μέγεθος περίπου ενός πλυντηρίου ρούχων, οι βιομηχανικές αντλίες θερμότητας (με μέγεθος όσο ένα σπίτι), μπορούν να εκμεταλλεύονται την απορριπτόμενη θερμότητα που παράγεται από τη λειτουργία εργοστασίων για να αυξάνει τη θερμοκρασία νερού στους 190 °C ή και περισσότερο. Στα εργοστάσια της Wienerberger, για παράδειγμα, οι μονάδες ξήρανσης πλίνθων καταναλώνουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας, ενώ οι θάλαμοι ξήρανσης αποβάλλουν κυρίως υδρατμούς. Οι υδρατμοί αυτοί συμπυκνώνονται στη μορφή ζεστού νερού. Στη συνέχεια, οι αντλίες θερμότητας ανεβάζουν τη θερμοκρασία του από τους 40 °C περίπου στους 90 °C και ξαναστέλνουν το νερό στη διεργασία ξήρανσης. Λόγω του ότι η πηγή ενέργειας μιας αντλίας θερμότητας είναι η ίδια η απορριπτόμενη θερμότητα του εργοστασίου, κατά τη διαδικασία αυτή καταναλώνεται σχεδόν 80% λιγότερη ενέργεια σε σχέση με τη λειτουργία με αέριο.
«Το σύστημα αποτελεί κλειστό βρόχο», σύμφωνα με τον Johannes Rath, τον επικεφαλής τεχνολογίας της Wienerberger. «Επειδή ξεκινούμε με υψηλότερες θερμοκρασίες, λαμβάνουμε υψηλότερες θερμοκρασίες», σε σχέση με αυτές που παράγονται από τις αντλίες θερμότητας οικιακής χρήσης.

Βιομηχανικές χρήσεις αντλιών θερμότητας
Πρότυπες αντλίες θερμότητας που κατασκευάζονται στη Νορβηγία λειτουργούν ήδη γύρω στους 180 °C, ενώ οι ειδικοί περιμένουν ότι εντός της δεκαετίας θα έχει σχεδιαστεί η τεχνολογία που θα επιτρέπει να επιτυγχάνονται θερμοκρασίες άνω των 200 °C. Η εξέλιξη αυτή θα επέτρεπε τη χρήση αντλιών θερμότητας από ακόμα πιο ενεργοβόρες βιομηχανίες, όπως είναι αυτές των χημικών, των τροφίμων και του χαρτιού καθώς και τα διυλιστήρια.
Αυτού του τύπου οι αντλίες βαριάς χρήσης χρησιμοποιούνται σε ξενοδοχεία, εστιατόρια, ζαχαροπλαστεία, αποθήκες, κολυμβητήρια, θερμοκήπια και χημικές βιομηχανίες, καθώς και για την ξήρανση υλικών, όπως το χαρτί και το άμυλο. Οι αντλίες θερμότητας απορρόφησης είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για εγκαταστάσεις που χρησιμοποιούν τόσο θέρμανση όσο και ψύξη.

Η φινλανδική εταιρεία Kiilto, για παράδειγμα, κατασκευάζει χημικά, όπως κόλλες, για τον κατασκευαστικό τομέα. Το εργοστάσιό της στη Lempäälä χρησιμοποιεί μια υβριδική βιομηχανική αντλία θερμότητας για να ανακτά τη θερμότητα από τις διεργασίες ψύξης που πραγματοποιούνται στο εργοστάσιο με τη χρήση ηλεκτρισμού, και αξιοποιεί τη θερμότητα και από μια γειτονική γεωθερμική πηγή ώστε να αυξάνει τη θερμοκρασία έως και στους 75 °C.

το εργοστάσιο ζαχαροπλαστικής Mars Wrigley στην Ολλανδία, το μεγαλύτερο εργοστάσιο σοκολάτας στον κόσμο, μια αντλία θερμότητας απομακρύνει και αξιοποιεί την απορριπτόμενη θερμότητα από τα ψυγεία, για να παράγει νερό θερμοκρασίας 60 °C. Το νερό διοχετεύεται στις σωληνώσεις του εργοστασίου ώστε να διατηρούνται ζεστά η σοκολάτα και τα σιρόπια. Η χρήση αυτής της τεχνολογίας μείωσε την ενεργειακή δαπάνη του εργοστασίου κατά 6%, εξοικονομώντας περίπου 26 TJ σε αέριο – περίπου την ποσότητα της ενέργειας που καταναλώνουν 625 νοικοκυριά στην Ευρώπη. Μια δεύτερη αντλία θερμότητας ζεσταίνει το νερό καθαρισμού στους 80 °C, οδηγώντας σε εξοικονόμηση επιπλέον 12,25 TJ.

Το νερό αποτελεί άλλη μία χρήσιμη πηγή θερμότητας. Το φυτώριο Inntal στη Βαυαρία χρησιμοποιεί νερό από θερμές πηγές κοντά στον ποταμό Inn και μία αντλία θερμότητας νερού-αέρος, περίπου στο μέγεθος ενός μεσαίου τανκς, για να θερμαίνει 30 στρέμματα θερμοκηπίων όλο τον χρόνο. Το νερό αντλείται στην αντλία θερμότητας όπου η θερμοκρασία του αυξάνεται στους 34 °C και στη συνέχεια διοχετεύεται στο ενδοδαπέδιο σύστημα θέρμανσης, προτού ψυχθεί και επιστραφεί στον ποταμό.
Μια άλλη εταιρεία που στράφηκε πρόσφατα σε αυτή την τεχνολογία είναι ο γίγαντας της βιομηχανίας, η BASF, η οποία προσέλαβε την MAN, μια αυτοκινητοβιομηχανία γνωστή για τα φορτηγά και τα λεωφορεία της, για να κατασκευάσει τη μεγαλύτερη αντλία θερμότητας στον κόσμο στο εργοστάσιο της BASF στο Ludwigshafen, στη δυτική Γερμανία. Το σύστημα που θα κατασκευαστεί, σε μέγεθος ενός συμβατικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, θα εκμεταλλεύεται την απορριπτόμενη θερμότητα από τις διεργασίες ψύξης για να παράγει 150 τόνους ατμού την ώρα, μειώνοντας έτσι τις αναμενόμενες ετήσιες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από το εργοστάσιο κατά περίπου 390.000 τόνους.

Μειώση εξόδων
Πέρα από τα οφέλη που σχετίζονται με την αύξηση της απόδοσης, οι εταιρείες που αξιοποιούν διεργασίες χαμηλών εκπομπών CO2 μπορούν επίσης να μειώσουν τα έξοδά τους, μειώνοντας τη χρέωση ανά τόνο που πληρώνουν στο πλαίσιο του συστήματος εμπορίας δικαιωμάτων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου της Ευρωπαϊκής Ένωσης.
Η ΕΕ αντιμετωπίζει την αύξηση στην εγκατάσταση αντλιών θερμότητας, τόσο σε βιομηχανικές όσο και σε μη βιομηχανικές εφαρμογές, ως κρίσιμη για την επίτευξη του στόχου της μείωσης των εκπομπών αερίου θερμοκηπίου κατά τουλάχιστον 55% έως το 2030. Η πρωτοβουλία REPowerEU στοχεύει στην αντικατάσταση έως και του ενός τρίτου από τα 150 εκατ. εγκατεστημένους λέβητες με αντλίες θερμότητας. Ένας αυξανόμενος αριθμός αντλιών θερμότητας μεγάλης κλίμακας θα παρέχει είτε ατμό, είτε ζεστό νερό σε περιφερειακά δίκτυα θέρμανσης, όπως συμβαίνει τώρα στη Νορβηγία, τη Σουηδία και τη Δανία. Η σύνταξη οικοδομικών κωδίκων φιλικών προς το περιβάλλον, η χρήση ανακυκλωμένων υλικών στις οικοδομές, η τοποθέτηση σύγχρονων μονωτικών συστημάτων και η μείωση της κατανάλωσης θα οδηγήσουν σε ακόμα μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας.

Η γερμανική δεξαμενή σκέψης Agora Energiewende εκτιμά ότι μια ευρεία στροφή στη χρήση αντλιών θερμότητας βιομηχανικής και οικιακής χρήσης, σε συνδυασμό με μέτρα για την ενεργειακή απόδοση, θα μπορούσε να μειώσει τη χρήση φυσικού αερίου στην ΕΕ κατά 32% σε διάστημα πενταετίας. Μαζί με την αύξηση της παροχής LNG, αυτό θα μπορούσε να εξαλείψει τελείως την ενεργειακή εξάρτηση από το ρωσικό πετρέλαιο. Και καθώς η εξέλιξη της βιομηχανικής τεχνολογίας θα επιτρέπει στις αντλίες θερμότητας στο προσεχές μέλλον να φτάνουν σε θερμοκρασίες 500 °C, η ίδια δεξαμενή σκέψης προβλέπει ότι η ηλεκτρική ενέργεια θα αντικαταστήσει ακόμα πιο ευρέως την καύση αερίου.

Κίνητρα και επιδοτήσεις
Σε πρόσφατη δημοσίευσή της, η ΙΕΑ εκτιμά ότι η ΕΕ θα μπορούσε να μειώσει κατά $65 δισ. τις εισαγωγές αερίου αν στρεφόταν στο σύνολό της σε αντλίες θερμότητας, για οικογενειακή, εμπορική και βιομηχανική χρήση. Σύμφωνα με τη δημοσίευση, έως το 2050 οι αντλίες θερμότητας θα καλύπτουν την πλειονότητα των παγκόσμιων αναγκών σε θέρμανση και ψύξη.
Τα ευρωπαϊκά και εθνικά κίνητρα και οι επιδοτήσεις αναμένεται να επιταχύνουν αυτή τη βιομηχανική μετάβαση. Για παράδειγμα, η τουβλοποιία Wienerberger αναμένει να πληρώσει από $2,72 εκατομμύρια έως $3,26 εκατομμύρια για νέα συστήματα αντλιών θερμότητας σε κάθε μία από τις εγκαταστάσεις της στην Ευρώπη, με τις αντίστοιχες επιδοτήσεις να καλύπτουν το 20 με 40% από το κόστος. Οι αντλίες θα λειτουργούν με ηλεκτρικό ρεύμα παραγόμενο από φωτοβολταϊκά.

Στις ΗΠΑ, από την άλλη μεριά, που βασίζεται σε πολύ μεγάλο βαθμό στα ορυκτά καύσιμα για τη θέρμανση, μια έκθεση εκτιμά ότι η επέκταση της χρήσης των αντλιών θερμότητας σε μονοκατοικίες θα μπορούσε να μειώσει τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου κατά 124 εκατ. τόνους τον χρόνο ή 14%. Για τους ιδιοκτήτες σπιτιών στις ΗΠΑ, μια συμβατική αντλία θερμότητας στοιχίζει από $3.500 έως $7.500. Ο νόμος για τον περιορισμό του πληθωρισμού του προέδρου Μπάιντεν παρέχει επιδοτήσεις και φορολογικά κίνητρα που καλύπτουν έως και το 30% του κόστους μιας οικιακής αντλίας θερμότητας. Ο νόμος επιτρέπει και τα κίνητρα για τις βιομηχανικές χρήσεις. Παρόλα αυτά, για πολύ κόσμο στις ΗΠΑ τα έξοδα της επένδυσης αποτελούν σημαντικό εμπόδιο, ακόμα και με τις επιδοτήσεις.
Στην Ευρώπη, ωστόσο, ο ενθουσιασμός για αυτή την τεχνολογία – σε σπίτια, εμπορικά κτίρια και βιομηχανίες – είναι εμφανής. Σε πολλά μέρη, υπάρχει λίστα αναμονής έως και ενός χρόνου για την εγκατάσταση μιας αντλίας θερμότητας.