Co zużywa więcej węgla – pompa ciepła czy kocioł węglowy? OBALAMY MIT

Zacznijmy od krótkiej charakterystyki pompy ciepła i kotła węglowego. Pompa ciepła wykorzystuje do napędu sprężarki energię elektryczną. To dzięki niej właśnie może zachodzić proces odbioru ciepła z dolnego źródła, czyli z miejsca skąd do pompy jest doprowadzane ciepło. Może to być powietrze, czasem grunt, najrzadziej woda gruntowa. W zastosowaniach indywidualnych energia zmagazynowana w tych mediach pochodzi z promieniowania słonecznego, co powoduje, że urządzenie w pewnej części opiera się o wykorzystanie odnawialnego źródła energii. Kocioł węglowy nie jest tak skomplikowany – dostarcza ciepło, kiedy jest w nim rozpalone i dostarczane jest paliwo.

Pompa ciepła potrzebuje energii elektrycznej - skąd ją bierzemy?

Ile pompa ciepła pobiera energii z dolnego źródła? To już zależy od samego urządzenia i najszerzej mówiąc warunków klimatycznych. Wracając do energii elektrycznej – w 2022 r. w Polsce węgiel kamienny odpowiadał za 42,6% energii elektrycznej (według Agencji Rynku Energii). Już na tym etapie należy zaznaczyć, że 20,6% polskiego miksu produkcji energii elektrycznej stanowiły odnawialne źródła energii (od 2021 r. zanotowano wzrost o 6844 GWh). Z roku na rok udział OZE będzie rósł, a więc średni ślad węglowy pomp ciepła będzie spadał z uwagi na wykorzystanie czystej energii.

Poza dyskusją jest oczywiście przypadek, gdy pompa ciepła działa w połączeniu z fotowoltaiką. Mikroinstalacji fotowoltaicznych jest w Polsce już ponad 1,2 mln! Przy odpowiednim wykorzystaniu bufora, a także przy zastosowaniu magazynu energii, pompa ciepła może działać niemalże bez emisji na etapie eksploatacji – zarówno bezpośredniej, jak i pośredniej.

Gdzie zużywamy więcej węgla? ANALIZA

Na potrzeby analizy załóżmy jednak przypadek, że nie ma fotowoltaiki w gospodarstwie domowym. Cała energia dostarczana do pompy ciepła pochodzi z uśrednionego miksu produkcji energii elektrycznej. Przedmiotem dalszych obliczeń będzie oszacowanie całkowitego zużycia węgla dla budynku o zapotrzebowaniu na energię na potrzeby centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej na poziomie 15 tys. kWh/rok.

Aby obliczyć ilość potrzebnego węgla do napędu pompy ciepła, należy przyjąć założenia związane z generacją energii elektrycznej w elektrowni konwencjonalnej. Nowoczesne bloki węglowe o parametrach nadkrytycznych osiągają sprawność konwersji energii chemicznej zawartej w paliwie w energię elektryczną na poziomie ok. 45%. Znaczna część elektrowni w Polsce ma oczywiście dużo niższe sprawności. Przyjęto więc następujące założenia:

• sprawność wytwarzania energii elektrycznej 40%,
• straty energii na przesyle 8%,
• udział węgla kamiennego w miksie energetycznym 42,6%,
• wartość opałowa węgla kamiennego 23 MJ/kg.

Należy wspomnieć, że do obliczeń nie wzięto pod uwagę węgla brunatnego (udział 26,5% w miksie). Nie odgrywa on roli w ogrzewnictwie, a chcemy porównać węgiel kamienny zużyty na potrzeby kotła i pompy ciepła. Podkreślmy także bardzo ważną kwestię. Elektrownie posiadają szereg zabezpieczeń, których celem jest ograniczenie emisji zanieczyszczeń. Kominy w polskich domach nie mają takich możliwości. Co więcej, ze względu na wyższe temperatury spalania w elektrowni sam proces zachodzi dużo efektywniej, a część zanieczyszczeń nie powstaje.

Pompa ciepła i dwa kotły węglowe

Wzięto pod uwagę trzy urządzenia, które działają w systemie o takiej samej sprawności przesyłu, akumulacji i regulacji na poziomie 70%, co będzie uwzględnione w obliczeniach: 

• powietrzną pompę ciepła, SCOP = 3,
• kocioł węglowy V klasy, sprawność 84%,
• bezklasowy kocioł węglowy, tzw. kopciuch, sprawność 55%.

Z uwagi na przyjęte SCOP pompy przypomnijmy jak ono działa, bo nie jest to klasyczna sprawność. Jeżeli zapotrzebowanie na ciepło w domu to 15 tys. kWh/rok i jest ono zaspokajane przez pompę o sezonowym współczynniku efektywności równym 3, to oznacza, że urządzenie pobrało 5 tys. kWh energii elektrycznej. SCOP to nic innego jak iloraz pomiędzy energią dostarczoną do budynku na potrzeby ogrzewania a wykorzystaną energią elektryczną. Więcej szczegółów w artykule COP, SCOP i SPF – co oznaczają współczynniki, które opisują pompę ciepła?

Wartość SCOP może być oczywiście wyższa. Na rynku są dostępne pompy ciepła, które charakteryzują się wartością współczynnika na poziomie przekraczającym 4. Są one zazwyczaj droższe, ale dzięki nim koszty eksploatacyjne są dużo niższe. Wybrano wartość 3, ponieważ można przyjąć, że jest to średnia wartość dla tego rodzaju urządzeń.

Wyniki szokują?

Jak to jest z tym węglem? Otóż wykorzystując ww. założenia oszacowaliśmy, ile węgla zużyją dwa skrajne rodzaje kotłów na węgiel i powietrzna pompa ciepła. Wyniki mogą szokować tych, którzy ślepo wierzyli w swoje przekonania na temat zużycia energii elektrycznej przez pompę ciepła. 

Jak widać różnica w wykorzystaniu węgla kamiennego jest znaczna. W analizowanym przykładzie na potrzeby pompy ciepła trzeba go zużyć 4,7 razy mniej niż w kotle bezklasowym oraz 3,1 razy mniej niż w kotle V klasy. Po raz kolejny zaznaczmy, że z biegiem czasu udział OZE będzie rósł, a węgla malał. Dzięki temu słupek z wykorzystaniem węgla na potrzeby wytworzenia energii elektrycznej dla pompy ciepła będzie malał. Miejmy nadzieję, że w końcu osiągnie 0 kg.