Měly být pětkrát lepší než tepelná čerpadla. Nadšení překonalo realitu

V médiích se objevily publikace naznačující, že elastokalorická tepelná čerpadla dosahují až pětinásobně vyšší účinnosti než současná kompresorová tepelná čerpadla a že je brzy nahradí. Odborný portál vysvětluje, jak se tyto informace vztahují k vědeckým výsledkům. Pravda je taková, že výzkum v oblasti elastokaloriky je slibný, avšak v současné, laboratorní fázi prací nesouvisí s technologiemi vytápění budov. Jej princip fungování je zcela odlišný.

Jsou to prototypy, jen v měřítku malého ventilátoru

Princip fungování elastokalorických tepelných čerpadel je založen na cyklickém deformování slitin niklu a titanu (NiTi), které v důsledku mírně mění svou teplotu, pohlcují nebo uvolňují tepelnou energii. Na této technologii již delší dobu pracují různé evropské výzkumné instituce, včetně německých, avšak dostupné prototypy zařízení dosahují tepelného výkonu pouze v řádu několika wattů. To znamená, že jejich možnosti jsou mnohonásobně menší než u současných kompresorových tepelných čerpadel. Zařízení používaná v obytných budovách musí mít výkon od několika do několika desítek kilowattů, což zajišťuje stabilní provoz po mnoho tisíc hodin ročně. Rozdíl mezi oběma technologiemi je tedy zásadní a v současné době neumožňuje hovořit o jakékoli konkurenceschopnosti.

„Všechny tiskové zprávy naznačující, že elastokalorická tepelná čerpadla mohou nahradit současně používaná zařízení, jsou nedorozuměním. Dnešní prototypy elastokalorických zařízení mají výkon srovnatelný s ventilátorem v počítačích, zatímco čerpadla vytápějící domy pracují s výkonem tisíců wattů. Rozdíl v měřítku je obrovský,“ zdůrazňuje odborník na portálu.

Elastokalorika má ke stávajícím tepelným čerpadlům daleko

Přehled možností elastokaloriky představuje metaanalýza s názvem „Performance overview of caloric heat pumps: Update 2024“ (Přehled výkonnosti kalorických tepelných čerpadel: Aktualizace 2024), publikovaná Univerzitou v Aalborgu. Jde o nejobsáhlejší vědecké pojednání v této oblasti, zahrnující přes 160 vědeckých publikací a přes 300 výsledků experimentů. Z něj jednoznačně vyplývá, že současné prototypy elastokalorických zařízení stále výrazně zaostávají za současnými tržními potřebami, zejména v oblasti vytápění budov.

Konkrétně:

• hodnota koeficientu výkonnosti COP u zkoumaných prototypů činí přibližně 1–2 při teplotních rozdílech typických pro vytápění budov (20–35 K);
• účinnost ve srovnání s ideálním obráceným Carnotovým cyklem nepřesahuje 20 procent;
• tepelný výkon zařízení dosahuje hlavně od 1 do 30 W, výjimečně kolem 100 W.

Pro srovnání, současná kompresorová tepelná čerpadla, pracující za stejných teplotních podmínek, dosahují koeficientu účinnosti COP na úrovni 3–6 a jejich účinnost ve srovnání s ideálním obráceným Carnotovým cyklem činí 40–60 procent. Zároveň zajišťují vysokou stabilitu provozu a životnost v řádu 20–25 let. Tržní nabídka zahrnuje modely ve velmi širokém rozsahu výkonů: od několika kilowattů po několik desítek megawattů.

„To výmluvně ukazuje, že elastokaloriku nelze považovat za alternativní technologii vůči tepelným čerpadlům, která se v budovách v současnosti používají. Výsledky dosavadního výzkumu elastokaloriky přesvědčují, že využití této technologie pro vytápění budov v této fázi není možné. V budoucnu může najít specifické uplatnění v oblasti chlazení budov, ale to vyžaduje další výzkum,“ říká odborník.

Nepleťme si simulace se skutečnými možnostmi

Šířené senzace o „pětinásobně vyšší účinnosti“ elastokalorických čerpadel se výhradně vztahují k „výsledkům“ uměle vytvořených počítačových modelů, jejichž činnost byla analyzována ve velmi úzkých teplotních rozsazích zdrojů tepla, často při rozdílu pouhých několika kelvinů, a to za ideálních podmínek.

„Právě tyto modely, a nikoli měření činnosti skutečných zařízení a topných systémů, vygenerovaly senzační výsledky citované v tiskových zprávách. Simulace tohoto typu nezohledňují reálné teplotní rozsahy pro vytápění budov a nezahrnují skutečné tepelné ztráty, odpory proudění či materiálová omezení slitin NiTi,“ zdůrazňuje odborník.

Je také třeba zdůraznit, že v současné době neexistuje žádný elastokalorický prototyp, který by v laboratorních měřeních dosahoval parametrů umožňujících široké využití této technologie v budovách. Financování, o kterém média informují, se týká základního výzkumu a prací na vývoji elastokalorických materiálů, nikoli zařízení vhodných pro tržní nasazení v systémech centrálního vytápění.

„V případě elastokaloriky se v tiskových zprávách hovoří o pětinásobně vyšší účinnosti, ale – což se v článcích již nezdůrazňovalo – tato čísla pocházejí ze simulací, nikoli ze skutečných měření. V reálných podmínkách blízkých domácímu použití tepelných čerpadel je koeficient účinnosti COP elastokaloriky přibližně 1–2, což znamená, že jsou za těchto podmínek dokonce až třikrát méně účinná než tepelná čerpadla. Neexistuje žádný prototyp těchto zařízení, který by dosahoval parametrů alespoň blízkých čerpadlům používaným v budovách,“ dodává.

Ne dnes, ne zítra a ne místo tepelných čerpadel

Elastokalorika je dnes slibným směrem výzkumu, zejména v kontextu chlazení budov. Pokud jde o její potenciál jako topné technologie, pro jeho využití ve větším měřítku je nejprve nutné překonat řadu materiálových omezení, zvýšit cyklickou životnost slitin NiTi a vyvinout komponenty umožňující efektivní provoz zařízení při teplotních rozdílech typických pro vytápění. To může být perspektiva několika desetiletí. Rozhodně se nejedná o technologii připravenou nahradit tepelná čerpadla používaná v současnosti.

„Jde o důležitý a perspektivní směr výzkumu, ale představovat elastokaloriku jako alternativu k tepelným čerpadlům v roce 2025 uvádí veřejnost v omyl. Všechny klíčové analýzy Evropské komise a Mezinárodní energetické agentury (IEA) potvrzují, že kompresorová tepelná čerpadla zůstanou v příštích desetiletích základem elektrifikace vytápění v Evropě a jsou nejlepší dostupnou technologií pro vytápění a chlazení budov,“ dodává odborník.

Senzace týkající se elastokaloriky zapadají do další vlny publikací založených na zjednodušeních a neúplných informacích, které podrývají důvěru v tepelná čerpadla.

„V posledních letech byl tento jev pozorován jak v České republice, tak i v dalších evropských zemích a v některých médiích nabyl podoby denního publikování podobného obsahu jako samostatných, nových článků. Publikace o tzv. ‚alternativních technologiích vytápění‘ se tak stávají pravidelnou součástí veřejné debaty, a to i v případě, že se týkají řešení, která jsou stále v raných fázích vývoje. Odborný portál proto vybízí k diskusi založené na ověřených vědeckých datech a technologiích, které jsou na trhu skutečně dostupné a hrají klíčovou roli v energetické transformaci,“ uzavírá odborník.