Lämpöpumput kurottavat kohti 200 astetta

Mitkä ovat juuri nyt lämpöpumpputeknologian keskeiset kehityssuunnat? KylmäExtra-lehden haastattelemien asiantuntijoiden mukaan kaksi asiaa nousee ylitse muiden: entistä korkeammat tuotantolämpötilat ja luonnollisten kylmäaineiden yleistyminen.

LUT-yliopiston lämpöpumppu- ja kylmätekniikan apulaisprofessori Antti Uusitalo sanoo, että korkealämpötilaiset lämpöpumput ovat tällä hetkellä yksi alan nopeimmin kehittyvistä alueista Euroopassa.

Kaupallisissa ratkaisuissa päästään nykyisin noin 120–130 asteeseen. 150 asteen tasolla on jo teollisuuteen integroituja koelaitoksia, mutta tätä korkeammat lämpötilat ovat vielä lähinnä kehitys- ja pilotointivaiheessa.

”Yksi keskeinen tavoite on teollisuuden prosessihöyryn tuottaminen lämpöpumpuilla. Monissa prosesseissa käytetään noin 120–200-asteista höyryä”, Uusitalo toteaa.

Hänen mukaansa juuri tällä lämpötila-alueella lämpöpumppujen mahdollisuudet kasvavat voimakkaasti tulevina vuosina.

”Uskon, että lämpöpumpuilla on mahdollista päästä noin 200 asteeseen vielä ihan järkevällä lämpökerroin- eli COP-arvolla.”

Korkeat lämpötilat haastavat tekniikan

Korkeampiin lämpötiloihin pääsy ei kuitenkaan ole yksinkertaista. Uusitalon mukaan yksi keskeinen rajoite ovat kompressorit. Mitä korkeammaksi lämpötila nousee, sitä kovemmalle kompressorit ja niiden voitelu joutuvat.

”Perinteisissä öljyvoidelluissa kompressoreissa voiteluöljyn lämpötilan kesto voi muodostua ongelmaksi. Siksi kehitetään esimerkiksi keskipakokompressoreita ja öljyttömiä laakeriratkaisuja.”

Toiseksi tekniseksi haasteeksi Uusitalo nostaa hyötysuhteen. Mitä suurempaa lämpötilan nostoa lämpöpumpulta vaaditaan, sitä matalammaksi COP-arvo yleensä laskee.

”Yksinkertainen lämpöpumppuprosessi ei silloin välttämättä riitä, vaan järjestelmään tarvitaan esimerkiksi kaksiportaisia kaskadikytkentöjä, useampia kompressorivaiheita, välijäähdytystä ja lisää lämmönsiirtimiä.”

Nämä tekniikat voivat parantaa tehokkuutta. Samalla laitteisto kuitenkin monimutkaistuu ja kallistuu.

”Jossain vaiheessa vastaan tulee taloudellinen raja. Jos COP-arvo heikkenee selvästi, lämpöpumppujärjestelmän etu suoraan sähköllä tuotettuun lämpöön verrattuna alkaa pienentyä.”

Korkeisiin lämpötiloihin kehitetään myös ratkaisuja, jotka eivät perustu perinteiseen höyrystyvän ja lauhtuvan kylmäaineen kiertoon. Uusitalo mainitsee esimerkkinä käänteisiin Brayton- ja Stirling-prosesseihin perustuvat teknologiat, joilla voidaan päästä hyvin korkeisiin lämpötiloihin.

Tutkimus keskittyy luonnollisiin kylmäaineisiin

Antti Uusitalon mukaan toinen suuri teknologinen muutos on siirtyminen luonnollisiin kylmäaineisiin. Korkeissa lämpötiloissa kylmäaineiden vaatimukset korostuvat, eivätkä kaikki luonnolliset kylmäaineet sovellu tällaisiin käyttökohteisiin.

”Kehitystyötä tehdään muun muassa pentaanilla ja butaanilla. Butaanilla ja isobutaanilla voidaan päästä noin 130 asteen tasolle, kun taas joillakin synteettisillä HFO-aineilla ylletään vieläkin korkeammalle.”

Kiinteistölämpöpumpuissa voimakkaasti yleistyvä kylmäaine on Uusitalon mukaan propaani. Sen termodynaamiset ominaisuudet tunnetaan hyvin, mutta haasteena on syttyvyys.

”Tämä vaikuttaa laitteen turvalliseen suunnitteluun ja käyttöön. Syttyvyyden vuoksi etsitään ratkaisuja, joissa kylmäainemäärä on mahdollisimman pieni.”

Myös hiilidioksidin käyttö yleistyy kylmä- ja lämpöpumpputekniikassa. Kehitystyössä tutkitaan muun muassa hiilidioksidin lämmönsiirto-ominaisuuksia ja käyttäytymistä transkriittisessä prosessissa.

”Myös ammoniakki säilyy tärkeänä teollisena kylmäaineena. Se on ominaisuuksiltaan hyvä, mutta myrkyllisyys rajaa sen käyttöä ja asettaa vaatimuksia turvallisuudelle.”

Höyryntuotanto laajentaa käyttökohteita

Suomalaiset lämpöpumppuratkaisuja toimittavat yritykset seuraavat tarkasti teknologian kehitystä. Calefan kaupallinen johtaja Petri Vuori näkee kehityksen ennen muuta teollisten lämpöpumppujen roolin kasvuna.

”Lämpöpumput eivät ole enää vain muun lämmöntuotannon rinnalla toimivia ratkaisuja. Niiden varaan voidaan suunnitella jo myös suurta peruskuorman tuotantoa. Tämän mahdollistavat nousseet tuotantolämpötilat ja kompressoritekniikan kehitys”, Vuori sanoo.

Hän huomauttaa, että jo nykyisillä lämpöpumpuilla on mahdollista tuottaa selvästi yli 100-asteista vettä ja myös höyryä. Se on prosessilämmön tuotannon kannalta ratkaisevaa, jotta lämpöpumpuilla voidaan korvata polttoon perustuvaa teknologiaa kaukolämmön tuotannossa ja teollisuudessa.

Höyryä käytetään paljon esimerkiksi metsä-, kemian- ja elintarviketeollisuudessa. Vuoren mukaan höyryntuotanto avaa lämpöpumppujen käyttöä prosesseihin, jotka on jo rakennettu höyryn varaan.

”Lämpöpumpulla tuotetun höyryn painetta voidaan tarvittaessa nostaa edelleen esimerkiksi MVR-järjestelmällä. Tämä on avannut kokonaan uusia asiakaskohteita etenkin teollisuudessa.”

Vuori korostaa, että korkeat lämpötilat vaativat paljon tekniikalta. Kompressorien kestävyyden, voitelun ja kylmäaineen toiminnan pitää olla hallinnassa koko käyttöalueella.

”Uusista korkealämpötilaisista ratkaisuista ei vielä ole vuosikymmenten käyttökokemusta. Tätä joudutaan vielä todistelemaan käytännössä.”

Yksittäiset laitteet osa kokonaisuutta

Myös lämpöpumppuja valmistavan Gebwellin liiketoimintajohtaja Petrus Monni odottaa lämpöpumppujen kokoluokan kasvavan ja yleistyvän suurten energiamäärien tuotannossa. Monni on Suomen Lämpöpumppuyhdistys SULPU ry:n hallituksen puheenjohtaja.

”Kun lämmitystä halutaan sähköistää, lämpöpumpuilla tulee olemaan siinä iso rooli”, Monni sanoo.

Hänen mukaansa sähkökattiloilla on paikkansa esimerkiksi kaukolämpöverkon huippukuormien tuotannossa. Lämpöpumppujen keskeinen kilpailuvaltti kuitenkin on, että sähkön ohella lämmön tuotannossa voidaan hyödyntää tehokkaasti myös hukka- ja ympäristölämpöjä.

Monni huomauttaa, että yksittäisten laitteiden sijaan lämpöpumput integroituvat entistä tiiviimmin kiinteistöjen ja alueellisten verkkojen energiajärjestelmiin.

”Tämä näkyy jo uusissa rakennuksissa. Lämpöpumpulla voidaan tuottaa myös jäähdytystä ja hyödyntää samalla talteen otettu lämpö lämmityksessä. Ylimääräistä lämpöä voidaan varastoida energiakaivoihin myöhempää käyttöä varten.”