قوی‌ترین پمپ‌های حرارتی جهان؛ رقابت آلمان، دانمارک و فنلاند برای گرمایش شهرها

پروژه بی‌سابقه مانهایم آلمان

شرکت MVV Energie آلمان اعلام کرده است که در حال ساخت قدرتمندترین ماژول‌های پمپ حرارتی تاریخ در شهر مانهایم است. این سیستم قرار است آب مورد نیاز خود را از رودخانه راین تأمین کند. لوله‌هایی که برای انتقال آب رودخانه طراحی شده‌اند، دارای قطری ۲ متری هستند و قادرند در هر ثانیه ۱۰,۰۰۰ لیتر آب را پمپاژ کنند.

«ما قصد داریم ۱۰,۰۰۰ لیتر در ثانیه آب بگیریم. این لوله‌های با قطر ۲ متر، آب رودخانه را در مانهایم جذب کرده و پس از برداشت گرما، آن را به رودخانه بازمی‌گردانند.»

این سیستم شامل دو واحد پمپ حرارتی است که هر کدام ظرفیت ۸۲.۵ مگاوات دارند و در مجموع، ظرفیت نهایی آن به ۱۶۲ مگاوات می‌رسد. این میزان انرژی برای تأمین گرمایش حدود ۴۰,۰۰۰ خانه از طریق شبکه گرمایش منطقه‌ای کافی خواهد بود. این پروژه در محل یک نیروگاه زغال‌سنگ قدیمی که در حال تبدیل به فناوری‌های پاک‌تر است، نصب خواهد شد.

رقابت در مقیاس غول‌پیکر

مقیاس این پمپ‌های حرارتی به حدی بزرگ است که حمل و نقل قطعات آن در خیابان‌های مانهایم یا حتی از طریق رودخانه راین یک چالش لجستیکی بزرگ محسوب می‌شود. شرکت آلمانی دیگری به نام Everllence (که قبلاً MAN Energy Solutions نام داشت) نیز در زمینه ساخت پمپ‌های حرارتی بسیار بزرگ فعالیت می‌کند. یکی از مدیران این شرکت صراحتاً اذعان می‌کند که یک رقابت جدی در این حوزه در جریان است.

سازوکار و هزینه‌های کلان

پمپ‌های حرارتی، گرما را از هوا، زمین یا منابع آبی جذب می‌کنند. مبرد موجود در پمپ با اندکی گرما تبخیر می‌شود و سپس با فشرده‌سازی، دمای آن به شدت افزایش می‌یابد. این فرآیند که در پمپ‌های حرارتی خانگی نیز رخ می‌دهد، در مقیاس شهری با هدف خدمت‌رسانی به کل مناطق، بسیار بزرگ‌تر اجرا می‌شود.

جزئیات فنی و مالی مانهایم

عملیات اجرایی پروژه مانهایم قرار است از سال آینده آغاز شود و پمپ‌های حرارتی تا زمستان ۲۰۲۸-۲۰۲۹ به طور کامل عملیاتی خواهند شد. برای جلوگیری از آسیب به محیط زیست، یک سیستم فیلتراسیون چند مرحله‌ای نصب می‌شود تا از مکش ماهی‌ها به داخل پمپ جلوگیری کند. همچنین، مدل‌سازی‌ها نشان می‌دهد که این سیستم تأثیر دمایی کمتر از ۰.۱ درجه سانتی‌گراد بر دمای متوسط رودخانه خواهد داشت.

نصب این سیستم‌ها بسیار پرهزینه است. راه‌اندازی پمپ‌های حرارتی مانهایم حدود ۲۰۰ میلیون یورو هزینه خواهد داشت. بر اساس برآوردها، تجهیزات پمپ حرارتی به ازای هر مگاوات ظرفیت نصب‌شده، حدود ۵۰۰,۰۰۰ یورو هزینه دارد که شامل هزینه‌های زیرساخت و ساختمان نمی‌شود.

پیشتازی کشورهای اسکاندیناوی

در حالی که آلمان در حال ساخت قوی‌ترین ماژول‌ها است، دانمارک و فنلاند نیز پروژه‌هایی با ظرفیت کل بالاتر را در دست اجرا دارند:

• آلبورگ، دانمارک: شرکت Everllence در حال کار بر روی پروژه‌ای است که با ظرفیت کلی ۱۷۶ مگاوات، از سیستم مانهایم قدرتمندتر خواهد بود. این سیستم شامل چهار واحد ۴۴ مگاواتی است و قرار است در سال ۲۰۲۷ عملیاتی شود و تقریباً یک سوم کل نیاز گرمایشی شهر را تأمین کند.
• ذخیره‌سازی حرارتی: در این پروژه‌ها از مخازن بزرگ ذخیره آب گرم با ظرفیت ۲۰۰,۰۰۰ متر مکعب استفاده می‌شود که انعطاف‌پذیری سیستم را افزایش می‌دهد. این امکان وجود دارد که هنگام بالا بودن قیمت برق، پمپ حرارتی متوقف شده و گرمایش از طریق مخازن ذخیره‌سازی تأمین شود.

کارشناسان معتقدند که پمپ‌های حرارتی و سیستم‌های گرمایش منطقه‌ای کاملاً مکمل یکدیگر هستند و می‌توانند گرما را از منابع مختلفی مانند آب‌های زیرزمینی یا حتی فاضلاب تصفیه‌خانه‌ها برداشت کنند. استفاده از چندین پمپ حرارتی بزرگ در یک شبکه، انعطاف‌پذیری و کارایی را به شدت بالا می‌برد.

تحول در هلسینکی فنلاند

هلسینکی، پایتخت فنلاند، در حال بازنگری اساسی در شبکه گرمایش منطقه‌ای خود است. این شبکه با طول ۱,۴۰۰ کیلومتر، تقریباً ۹۰ درصد ساختمان‌های شهر را پوشش می‌دهد. این شهر پمپ‌های حرارتی، مشعل‌های زیست‌توده و دیگ‌های بخار الکتریکی را به سیستم خود اضافه کرده است. به دلیل کم‌عمق بودن دریا در مقابل هلسینکی، امکان استفاده از آب دریا به عنوان منبع حرارتی وجود نداشته و از هوا به عنوان منبع گرما استفاده می‌شود.

اگرچه پمپ‌های حرارتی کارآمدتر هستند (تبدیل یک کیلووات ساعت برق به چندین کیلووات ساعت گرما)، اما دیگ‌های بخار الکتریکی نیز به دلیل نصب ارزان‌تر و توانایی جذب مازاد انرژی‌های تجدیدپذیر و متعادل‌سازی شبکه برق، همچنان در کنار پمپ‌ها نصب می‌شوند.

وضعیت بریتانیا و فرصت‌های جدید

در حال حاضر، هیچ پمپ حرارتی در بریتانیا وجود ندارد که با سیستم‌های در حال توسعه در آلمان یا اسکاندیناوی رقابت کند. با این حال، شبکه‌های گرمایشی منطقه‌ای جدیدی در حال ظهور هستند، مانند شبکه انرژی اکستر که قرار است دانشگاه اکستر و مشتریان دیگر را تأمین کند.

این شبکه با ظرفیت برنامه‌ریزی شده ۱۲ مگاوات، شامل سه پمپ حرارتی ۴ مگاواتی از نوع هوا به آب خواهد بود که اولین واحد آن در سال ۲۰۲۸ عملیاتی می‌شود. کارشناسان بریتانیایی فرصت‌های زیادی را برای استفاده از آب معادن متروکه که دمای نسبتاً ثابتی دارند، به عنوان منبع حرارتی برای پمپ‌های بزرگ می‌بینند.