Tepelná čerpadla a kogenerace

Tepelná čerpadla
Tepelné čerpadlo je zařízení, které odebírá teplo z vnějšího prostředí (z nízkoteplotního zdroje), a tak umožňuje využití nízkopotenciálního tepla, které nelze běžným přímým způsobem využít, protože má příliš nízkou teplotu. Jednoduše řečeno, v našem okolí se vyskytují látky o určité teplotě (energetickém potenciálu) jako je okolní vzduch, voda ve studni či řece, půda v okolí domu. Pokud ochladíme tyto látky o několik málo stupňů, pochopitelně odebereme těmto látkám teplo, a tuto energii využijeme při ohřevu jiné látky jako je voda v bazénu, teplá užitková voda, či voda topné soustavy, kterou ohřejeme také o několik málo °C, ale na úrovni pro nás přijatelné. Pokud ochladíme půdu na naší zahradě z 10 °C na 5 °C, je nám toto "teplo" o tak nízké teplotě k ničemu, ale pokud jej využijeme při ohřevu podlahového topení, které ohřejeme z 40 °C na 45 °C, máme z toho užitek.

Princip
Pochopitelně, nás přírodá nenechá podobné věci dělat samovolně, mé své zákonitosti, a proto musíme dodat další energii, abycho s úspěchem převedli toto nízkopotenciální teplo na vyšší teplotní hladinu, nejčastěji je touto energií práce kompresoru TČ. Celý princip lze přirovnat k čerpání vody ze studánky pod chalupou do nádrže, kterou jsme zbudovali na kopci nad chalupou. Čerpáním ve studánce voda ubývá a v nádrži přibývá. Pro nás je využitelná pouze ta voda nad námi, protože nám do chalupy teče sama. Pokud ze studánky vodu nečerpáme udržuje si svou hladinu, pokud čerpáme, příroda se sama postará o přirozené dorovnání hladiny.
A jak je to s tepelným čerpáním? Tepelné čerpadlo má zpravidla tyto základní prvky: výparník, kondenzátor, kompresor a expanzní ventil. Teplo je odebíráno z okolního prostředí pracovní látkou (vzduch, voda, glykol, solanka, atd.) a je přenášeno do výparníku. Tam je teplo odnímáno pracovní látce pomocí chladiva. Zahřátím kapalného chladiva dochází k jeho vypařování. Páry chladiva jsou odsávány a současně stlačovány v kompresoru. Tímto procesem se ještě zvýší jejich teplota. Páry jsou dále odváděny do kondenzátoru, kde předají teplo ohřívané látce, zchladí se a změní své skupenství na kapalné. Kapalné chladivo je zpět přiváděno přes expanzní ventil do výparníku. Celý cyklus se opakuje.

Kogenerace
Jak již název napovídá, jedná se o kombinaci, o ko-generování, v tomto případě el. energie a tepla. I klasická konvenční tepelná elektrárna však mnohdy využívá zbytkového tepla. Proces je však oproti kogeneraci poněkud komplikovaný. V konvenční tepelné elektrárně respektive teplárně se spaluje palivo v kotli, který vyrábí vodní páru, která pohání turbínu a ta roztáčí generátor generující elektrický proud. Teplo se získá při kondenzaci a ochlazování vodní páry. Kogenerace vynechává několik mezičlánků a pro získání mechanické energie, která je zapotřebí pro pohon generátorů, využívá spalovacích motorů.

Princip
Elektrická energie je vyráběna v generátoru, tepelnou energii získáváme z chlazení spalovacího, mazacího oleje a spalin. Výroba obou forem energie je spolu pevně spjata a je dán poměr mezi jejich množstvím.
Palivem pro spalovací motor kogenerační jednotky bývá zpravidla zemní plyn, různé druhy bioplynu s vyšším obsahen metanu (např. kalové plyny z čistíren odpadních vod, skládkové plyny), uhelný plyn, butan, propan, nízkovýhřevný plyn získaný zplyňováním biomasy, kapalný plyn, lehké topné oleje, motorová nafta, atd...
Kogenerační jednotky se zážehovými nebo vznětovými motory upravené pro spalování plynu využívají palivo asi z 80 % až 85 %. Z toho připadá 30 % až 35 % na elektrickou energii a zbytek na teplo tj. 65 % až 70%.
Při spalování zemního plynu v motorech vzniká vodní pára, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, oxidy dusíku a nespálené uhlovodíky. Z lokálního pohledu kogenerační jednotky zatěžují životní prostředí, avšak ve srovnání s uhlím jsou množství škodlivých látek výrazně nižší.